DE3933956C2 - Spannverband für einen Stromrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannverband für einen Stromrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung kann bei Stromrichtergeräten für Fahr­ zeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge, verwendet werden.

Ein solcher Spannverband für einen Stromrichter ist aus der DE 36 01 140 A1 bekannt. Im bekannten Fall handelt es sich um eine Vorrichtung für eine Flüssigkeitskühlung eines elektrischen Bauelementes, insbesondere Halbleiter-Bauelementes, das elektrisch und thermisch leitend an einem Kühlkörper angeordnet ist, welcher mindestens einen Kühlkanal hat, dessen Wandung mit einer elektrischen Isolierschicht hohlraumfrei verbunden ist, wobei die Enden des Kühlkanals gegenüber dem Kühlkörper elektrisch isolierende Anschluß­ mittel für Kühlmittel-Leitungen aufweisen. Zwei einander gegenüberliegende Seiten des Kühlkörpers sind als Kontaktierflächen für druckkontaktierte Halbleiter-Bauelemente ausgebildet.

Die DE 37 15 860 A1 betrifft einen Widerstand mit einer hohen Leistungsdichte und einer geringen Koronaentladung, der einen dielektrischen, wärmeleitenden Schichtstoffträger und ein Widerstandselement aufweist. Das Widerstandselement besteht aus einer dünnen Folie aus einem elektrisch leitenden Material. Eine elektrisch leitende Folie ist wirkmäßig an der unteren Oberfläche des Schichtstoffträgers befestigt und steht mit ihm in engem Kontakt. Es sind Mittel zum Befestigen des Schichtstoffträgers an einer Kühlkörperfläche vorgesehen, wobei die Metallfolie in wärmeleitendem Kontakt mit der Kühlkörperfläche steht. Bei einer abgewandelten Ausführungsform wird eine Wasserkühlplatte mit Kühlkanälen anstelle der Metallfolie verwendet.

In vielen Geräten der Leistungselektronik, z. B. Gleich­ stromstellern oder allgemein Stromrichtern, werden Wi­ derstände eingesetzt, in denen eine hohe Verlustleistung erzeugt wird. Diese Widerstände müssen daher intensiv gekühlt werden. Bei vielen Anwendungen werden derartige Leistungswiderstände im Kühlluftstrom einer Zwangsküh­ lung für die Halbleiterbauelemente des Stromrichters angeordnet. Dies kann aber bei gewissen kritischen An­ wendungsgebieten, insbesondere im Bahnbetrieb, Probleme verursachen, da die Widerstände über den Kühlluftstrom mit Feuchtigkeit und Schmutz in Berührung kommen. Aus diesem Grund wird oft gefordert, keine auf hohem elek­ trischem Potential liegenden Bauelemente im Kühlluft­ strom unterzubringen.

Darüber hinaus ist es auf Fahrzeugen oft vorteilhaft, den Kühlluftstrom von den Geräten der Leistungselektronik entfernt zu halten, um eine einfachere Anordung der großvolumigen Kühlluftführung zu erreichen. In diesem Fall muß zum Wärmetransport von dem zu kühlenden elek­ trischen Bauteil an die Umgebungsluft ein Zwischenkreis mit einem meist flüssigen Wärmeträger vorgesehen werden. Hierbei muß auch die Verlustwärme von Leistungswider­ ständen zunächst an ein flüssiges Kühlmedium abgeführt werden. Als Kühlmedium eignet sich neben verschiedenen elektrisch isolierenden Kühlmedien (z. B. Mineralöl oder Silikonflüssigkeiten) insbesondere Wasser, sofern es entionisiert oder in geeigneter Weise von dem zu kühlen­ den Bauteil elektrisch isoliert gehalten wird.

Außerdem steht z. B. auf Hochleistungstriebfahrzeugen Einbauraum immer nur beschränkt zur Verfügung, so daß die verwendeten Bauteile eine hohe Leistungsdichte und ein geringes Bauvolumen aufweisen müssen, was mit reiner Luftkühlung häufig nicht realisiert werden kann. Für die Kühlung von scheibenförmigen Halbleitern sind Kühlkörper aus elektrisch isolierenden, jedoch gut wärmeleitenden keramischen Werkstoffen vorgeschlagen worden, die die Verwendung von nicht entionisiertem, also elektrisch leitfähigem Wasser als Kühlmittel gestatten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spannverband für einen Stromrichter der eingangs genannten Art anzugeben, der derart ausge­ bildet ist, daß er bei kleinem Bauvolumen eine hohe Leistungsdichte ermöglicht.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Dabei ist es aus der DE 36 05 554 A1 an sich bekannt, einen zur Kühlung von elektronischen Bauelementen geeigneten und von einem Kühlmittel durchflossenen Kühlkörper aus Keramik hoher Wärmeleitfähigkeit, z. B. AlN, auszubilden.

Aus der ETZ-B, Band 11, Heft 4, Seiten 105 bis 109 sind metallische, flache, ebene, mäanderförmige Blech-Widerstandselemente an sich bekannt, wobei dort die Wärmeabgabe an Luft erfolgt und elektrische Widerstandsgeräte gebildet werden.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß durch den vorgeschlagenen Spannverband mit zwangsgekühltem, elektrischem Leistungswiderstand keine Rücksicht auf den gegebenenfalls Feuchtigkeit und Schmutz enthaltenden Kühlluftstrom genommen werden muß. Der Leistungswiderstand ist getrennt vom Kühlluftstrom angeordnet und ermöglicht eine intensive Kühlung mit Wärmeabfuhr über eine Kühlflüssigkeit. Die vorgeschlage­ ne Anordnung gewährleistet eine hohe Leistungsdichte bei kleinem Bauvolumen, was z. B. beim Einsatz in Hochlei­ stungstriebfahrzeugen von großer Bedeutung ist. Durch den von elektrisch isolierenden, jedoch gut wärmelei­ tenden keramischen Werkstoffen für den Flüssigkeitskühl­ körper kann vorteilhaft nicht entionisiertes, also elek­ trisch leitfähiges Wasser zur Kühlung verwendet werden. Da der Leistungswiderstand als flaches, ebenes Bauteil ausgeführt ist, läßt er sich in einfacher Weise zwischen Flüssigkeitskühlkörpern (Kühldosen) anordnen und mit einer vorgebbaren Druckkraft belasten, wie dies bei scheibenförmigen Halbleiterzellen bekannt ist, so daß ein gemeinsamer Spannverband, bestehend aus Halbleiterzellen und Leistungswiderständen, jeweils unter Zwischenschal­ tung von Flüssigkeitskühlkörpern, gebildet wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Leistungswi­ derstandes,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines Leistungswi­ derstandes,

Fig. 3 eine aus Leistungswiderstand und elektrisch nichtleitendem Flüssigkeitskühlkörper beste­ hende Anordnung,

Fig. 4 einen bei der Anordnung nach Fig. 3 verwende­ ten Flüssigkeitskühlkörper im Schnitt,

Fig. 5 einen aus Halbleiterzellen, Leistungswider­ ständen und Flüssigkeitskühlkörpern bestehen­ den Spannverband.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform eines Lei­ stungswiderstandes dargestellt. Der gezeigte Leistungs­ widerstand 1 besteht dabei aus einem flachen, metalli­ schen Widerstandselement 2 mit zwei elektrischen An­ schlüssen 3 und 4, wobei sich diese Anschlüsse 3, 4 auf derselben Seite des Leistungswiderstandes 1 befinden. Die Anschlüsse 3 und 4 sind mit Bohrungen 5, 6 für die Verbindung mit externen Anschlußleitern oder Anschluß­ schienen versehen (Schraubanschlüsse). Das Widerstands­ element 2 weist infolge zahlreicher Aussparungen 7 eine mäanderförmige Struktur auf und kann beispielsweise aus einem Blech aus einem Werkstoff mit einem hohen spezifi­ schen elektrischen Widerstand - z. B. einer Widerstands­ legierung oder einem Edelstahl - durch Stanzen, Ätzen, Laserstrahlschneiden oder andere Fertigungsverfahren hergestellt werden. Wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, kann der Leistungswiderstand 1 beispielsweise aus zwei neben­ einander liegenden, in Reihe geschalteten, jeweils mäan­ derförmigen Teilwiderständen A und B aufgebaut sein.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform eines Lei­ stungswiderstandes dargestellt. Der gezeigte Leistungs­ widerstand 8 besteht ebenfalls aus einem flachen, metal­ lischen, mit zahlreichen Aussparungen 7 versehenen Wi­ derstandselement 2. Im Unterschied zur ersten Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 1 befinden sich die elektrischen Anschlüsse 9 und 10 bei der zweiten Ausführungsform auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Leistungswiderstandes 8. Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, kann der Leistungswi­ derstand 8 beispielsweise aus fünf jeweils mäanderförmi­ gen Teilwiderständen C, D, E, F, G aufgebaut sein, wobei die fünf Teilwiderstände C . . . G in mäanderförmiger Art und Weise in Reihe geschaltet sind.

In Fig. 3 ist eine aus Leistungswiderstand und elek­ trisch nichtleitendem Flüssigkeitskühlkörper bestehende Anordnung dargestellt. Dabei liegt ein Leistungswider­ stand 1 der ersten Ausführungsform auf einem Flüssig­ keitskühlkörper 11 aus einem elektrisch isolierenden, aber gut wärmeleitenden Werkstoff, vorzugsweise einem keramischen Werkstoff, insbesondere Aluminiumnitrid (AlN). Die elektrischen Anschlüsse 3, 4 des Leistungswi­ derstandes 1 mit Bohrungen 5, 6 ragen zur Montageverein­ fachung über die Außenkante des Flüssigkeitskühlkörpers 11. Der quaderförmige Flüssigkeitskühlkörper 11 weist an zwei gegenüberliegenden Schmalseiten Anschlußstutzen 12, 13 für den Ein- und Austritt von Kühlflüssigkeit auf. Als Kühlflüssigkeit kann beispielsweise nicht entioni­ siertes, also elektrisch leitfähiges Wasser verwendet werden, dem gegebenenfalls ein Frostschutzmittel beige­ mischt ist.

Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung wird ergänzt durch einen zweiten, nicht dargestellten Flüssigkeitskühlkör­ per gleicher Art bzw. gegebenenfalls eine nicht darge­ stellte Druckplatte aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, mit dem bzw. der der Leistungswiderstand 1 abgedeckt wird und über den bzw. die eine Druckkraft auf den Leistungswiderstand 1 aufgebracht werden kann, um einen guten Wärmeübergang zwischen Leistungswiderstand 1 und Kühlkörper 11 zu gewährleisten. Zweckmäßigerweise wird zusätzliche eine Wärmeleitpaste zwischen Leistungs­ widerstand 1 und Flüssigkeitskühlkörper 11 eingebracht.

In Fig. 4 ist ein bei der Anordnung nach Fig. 3 verwen­ deter Flüssigkeitskühlkörper im Schnitt dargestellt. Der Flüssigkeitskühlkörper 11 weist einen inneren Kühlkanal 14 auf, der sich im Inneren des Kühlkörpers an einem Ende 15 Y-förmig in zwei parallel liegende interne Kanä­ le aufspaltet, die jeweils S-förmig das Innere des Kühl­ körpers 14 durchlaufen und sich am weiteren Ende 16 T-förmig vereinen. Das Ende 15 führt zum Anschlußstutzen 12, während das weitere Ende 16 mit dem Anschlußstutzen 13 verbunden ist.

In Fig. 5 ist ein aus Halbleiterzellen, Leistungswider­ ständen und Flüssigkeitskühlkörpern bestehender Spann­ verband dargestellt. Es ist ein zwischen zwei nichtlei­ tenden Flüssigkeitskühlkörpern 111, 112 angeordneter Leistungswiderstand 1 mit elektrischen Anschlüssen 3, 4 gemäß der ersten Ausführungsform zu erkennen. Zwischen dem Flüssigkeitskühlkörper 112 und einem weiteren, elek­ trisch nichtleitenden Flüssigkeitskühlkörper 113 befin­ det sich eine scheibenförmige Halbleiterzelle 25 mit zwei Anschlußlaschen 26, 27 für den elektrischen An­ schluß. Die Anschlußlaschen 26, 27 bestehen aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise aus Kupfer. Die für den Ein- und Austritt der Kühlflüssigkeit erforderlichen Anschlußstutzen der Flüssigkeitskühlkörper 111 bzw. 112 bzw. 113 sind mit Ziffern 121, 131 bzw. 122, 132 bzw. 123, 133 bezeichnet.

Zur Druckbelastung bzw. Verspannung dient eine aus Spannstäben 28, 29, Druckplatten 30, 31 und Spannmuttern 32, 33, 34, 35 bestehende Spannvorrichtung, wobei vor­ auszusetzen ist, daß weitere, nicht dargestellte Halb­ leiterzellen, Leistungswiderstände und Flüssigkeitskühl­ körper zu einer Säule gestapelt sind. Die Spannstäbe 28, 29 können durch geeignete Bohrungen oder Öffnungen in den Flüssigkeitskühlkörpern geführt sein, wodurch sich vorteilhaft eine exakte Ausrichtung der einzuspannenden Säule ergibt. Zweckmäßig sind nicht dargestellte Federe­ lemente, z. B. Tellerfedern, in der Spannvorrichtung bzw. der zu spannenden Säule enthalten, um thermische Aus­ gleichsvorgänge während des Betriebes zu ermöglichen. Zur verbesserten Wärmeleitung wird zusätzlich Wärmeleit­ paste zwischen Leistungswiderständen, Flüssigkeitskühl­ körpern und Halbleiterzellen eingebracht.

Die vorstehend beschriebene gemeinsame Anordnung von Halbleiterzellen und Leistungswiderständen in einem ein­ zigen Spannverband ist besonders vorteilhaft im Sinne einer Bauvolumenreduzierung, da die Teile der Spannvor­ richtung, wie z. B. Druckfedern und Druckplatten, nur einmal ausgeführt und im Gerät untergebracht werden müs­ sen.

Der Einsatz der vorstehend beschriebenen Leistungswider­ stände erfolgt beispielsweise in Stromrichtergeräten für Fahrzeuge, insbesondere auch Schienenfahrzeuge. Während des Betriebes des Leistungswiderstandes wird die dabei produzierte Verlustwärme an die Kühlflüssigkeit des ein­ gesetzten Flüssigkeitskühlkörpers 111, 112, 113, 11 abgeführt. Dieser an die Kühlflüssigkeit übertragene Wärmestrom wird in einem räumlich getrennt an beliebiger Stelle auf dem Fahrzeug angeordneten Wärmeübertrager an die Umgebungsluft abgeführt.

Claims (9)

1. Spannverband für einen Stromrichter mit mindestens einer scheibenförmigen Halbleiterzelle (25) als elektrisches Bauelement und mindestens einem gut wärmeleitenden, die Kühlflüssigkeit elektrisch isolierenden Flüssigkeitskühlkörper (11, 111, 112, 113), wobei eine Druckkontaktierung über Spannstäbe (28, 29), Druckplatten (30, 31) und Spannmuttern (32, 33, 34, 35) erfolgt und elektrisch leitfähiges Wasser als Kühlflüssigkeit dient, dadurch gekennzeichnet, daß als weiteres elektrisches Bauelement mindestens ein Leistungswiderstand (1, 8) mit dem mindestens einen aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere Aluminiumnitrid bestehenden Flüssigkeitskühlkörper (11, 111, 112, 113) direkt druckkontaktiert ist, wobei der Leistungswiderstand (1, 8) aus einem flachen, ebenen, metallischen Widerstandselement (2) mit mindestens zwei über die Außenkante des Flüssigkeitskühlkörpers ragenden elektrischen Anschlüssen (3, 4, 9, 10) besteht und das Widerstandselement (2) aus einem blechförmigen Werkstoff mit einem hohen spezifischen elektrischen Widerstand gebildet ist und durch zahlreiche seitliche Aussparungen (7) eine mäanderförmige Struktur aufweist.

2. Spannverband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungswiderstand (1, 8) zur einseitigen Kühlung zwischen einer elektrisch isolierenden Druckplatte und einem Flüssigkeitskühlkörper eingespannt ist.

3. Spannverband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungswiderstand (1, 8) zur doppelseitigen Kühlung zwischen zwei Flüssigkeitskühlkörpern eingespannt ist.

4. Spannverband nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmeleitpaste zwischen Leistungswiderstand und Kühlkörper eingebracht ist.

5. Spannverband nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (2) aus mindestens zwei in Reihe geschalteten, jeweils mäanderförmigen Teilwiderständen (A, B) besteht und sich die elektrischen Anschlüsse (3, 4) auf derselben Seite befinden.

6. Spannverband nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (2) aus mindestens drei in Reihe geschalteten, jeweils mäanderförmigen Teilwiderständen (C, D, E, F, G) besteht und sich die elektrischen Anschlüsse (9, 10) auf gegenüberliegenden Seiten befinden.

7. Spannverband nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (2) aus einer Widerstandslegierung besteht.

8. Spannverband nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (2) aus einem Edelstahl besteht.

9. Spannverband nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlüsse (3, 4, 9, 10) jeweils mit Bohrungen (5, 6) für den Schraubanschluß mit externen Leitungen oder Schienen versehen sind.