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WO2020078841A1 - Energieversorgung elektrischer und/oder elektronischer bauteile - Google Patents

Energieversorgung elektrischer und/oder elektronischer bauteile Download PDF

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Publication number
WO2020078841A1
WO2020078841A1 PCT/EP2019/077580 EP2019077580W WO2020078841A1 WO 2020078841 A1 WO2020078841 A1 WO 2020078841A1 EP 2019077580 W EP2019077580 W EP 2019077580W WO 2020078841 A1 WO2020078841 A1 WO 2020078841A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
capacitor
heat sink
converter
power module
conductor element
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/077580
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Swen Ruppert
Uwe Waltrich
Original Assignee
Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg filed Critical Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg
Priority to US17/285,974 priority Critical patent/US20210380268A1/en
Publication of WO2020078841A1 publication Critical patent/WO2020078841A1/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/14—Mounting supporting structure in casing or on frame or rack
    • H05K7/1422—Printed circuit boards receptacles, e.g. stacked structures, electronic circuit modules or box like frames
    • H05K7/1427—Housings
    • H05K7/1432—Housings specially adapted for power drive units or power converters
    • H05K7/14329—Housings specially adapted for power drive units or power converters specially adapted for the configuration of power bus bars
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D33/00—Arrangement in aircraft of power plant parts or auxiliaries not otherwise provided for
    • B64D33/08—Arrangement in aircraft of power plant parts or auxiliaries not otherwise provided for of power plant cooling systems
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
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    • H05K7/20845—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for automotive electronic casings
    • H05K7/20854—Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
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    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/209—Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/30—Aircraft characterised by electric power plants
    • B64D27/33—Hybrid electric aircraft
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B64D27/30—Aircraft characterised by electric power plants
    • B64D27/35—Arrangements for on-board electric energy production, distribution, recovery or storage
    • B64D27/359—Arrangements for on-board electric energy production, distribution, recovery or storage using capacitors

Definitions

  • the present invention relates to a device for the electrical energy supply of electrical and / or electro-African components of a converter.
  • the invention further relates to a converter and an aircraft with egg ner such device.
  • the invention can be used in particular in electrical or hybrid-electrical flight propulsion in aviation.
  • Power modules are screwed onto heat sinks (liquid or air coolers) for cooling.
  • heat sinks liquid or air coolers
  • Many converter topologies require an intermediate circuit capacitor, which must be connected to a power module with as little inductance and low impedance as possible.
  • the necessary capacitance of the intermediate circuit is in a first approximation proportional to the required volume and weight of the capacitor.
  • the permissible temperature inside the capacitor often limits the optimal use of the output stage. The losses in the capacitor must therefore be dissipated through a good thermal connection. Cooling via the electrical connection surfaces of the capacitor is most effective with film capacitors.
  • the applicant is known to thermally connect the capacitor to the still “free" underside of the heat sink in order to be as compact and light as possible.
  • the connection is usually made using screw connections and a pressing mechanism.
  • the inductive connection is led and contacted via laminated busbars (electrically insulated, thermally conductive) with corresponding bends to the power module on the opposite side of the heat sink.
  • Screws, etc. and the curved copper busbar are weight-intensive.
  • the minimum length of the connection of the intermediate circuit capacitor to the power module is determined by the heat sink geometry. This length is directly proportional to the commutation inductance and therefore critical. The tolerances also complicate the welding processes. The welding in turn leads to a rigid connection and to a thermomechanical load on the connection and the mostly rigid ceramic circuit carrier of the power module. Finally, pressing the bus bar contacts onto the module requires additional mechanical effort.
  • the object of the invention is to provide a solution for an improved electrical energy supply of electrical and / or electronic components, which can be used in particular in hybrid-electric drives in aviation.
  • a capacitor in particular an intermediate circuit capacitor, is electrically contacted to a power module and thermally to a heat sink by means of DC conductor elements arranged coaxially to one another.
  • the invention claims a device for electrical power supply electrical and / or electronic construction parts of a converter with at least one power module, at least one capacitor, at least one heat sink arranged between the power module and the capacitor, a first DC conductor element with a first potential and at least another second DC conductor element with a second potential.
  • the first and second DC conductor elements are designed to supply the power module and the capacitor with electrical energy, i.e. that the first and second DC conductor elements are electrically connected to the power module and the capacitor.
  • the first and the second DC conductor element run through the heat sink coaxially to each other.
  • the DC conductor elements are, for example, leads out through the heat sink.
  • a cooling medium can flow around and / or flow through the cooling body.
  • the invention offers the advantage of a weight-saving thermal, electrical and mechanical connection by eliminating a weight-intensive and rigid busbar busbar system.
  • the invention offers the advantage of a very low-inductance connection due to the DC conductor elements running coaxially through the cooling body.
  • the capacitor can be an intermediate circuit capacitor or a flying cap capacitor, which e.g. can be implemented as a film capacitor.
  • the first DC conductor element is at least in the area running in the cooling body Pin is formed and the second DC conductor element is designed as a sleeve.
  • the pin can be configured as a screw which can be screwed into a thread such that the capacitor and the power module can be pressed onto the heat sink.
  • the DC link capacitor screw connection has the advantage that it serves as a multifunctional thermal, electrical and mechanical contact between the capacitor and the heat sink.
  • the screw connection represents a thermally optimized connection to the DC link capacitor due to the double-sided cooling (second heat path through screw connection).
  • the thread is formed in a screw nut in the capacitor or in the heat sink. This can be done, for example, by using a thread.
  • connection between the power module and the heat sink can be established with a solder layer instead of with a pin.
  • the heat sink can be on the side of the power module DC capacitor connection surfaces to which the power module is soldered.
  • Bottom panel-free power modules can have a coaxial pattern of the heat sink-side DC
  • soldering of the substrate to the heat sink can also be used for electrical contacting of the power module, which further reduces the commutation inductance.
  • the power module can be formed from multilayer substrates.
  • this can consist of DCB, AMB, LTCC and printed circuit board.
  • the device has a plate arranged on the capacitor on the side facing away from the heat sink, for example a spring plate, which is pressed against the capacitor by the screw. This offers the advantage of cooling the capacitor on both sides.
  • the plate can be locally electrically conductive or insulating.
  • the heat sink is made of one
  • electrically-insulating ceramic material is formed.
  • the passages on the capacitor can be electrically isolated.
  • Electrically insulated passageways can be formed, for example, with hollow cylinders.
  • the invention also claims a converter with egg ner device according to the invention.
  • the converter can be a converter.
  • the invention claims an aircraft with a device according to the invention and a converter according to the invention, for example for an electrical or hybrid-electric flight drive.
  • the aircraft can be an aircraft.
  • the aircraft has one that is supplied with electrical energy by the converter
  • Electric motor and a propeller that can be rotated by the electric motor are Electric motor and a propeller that can be rotated by the electric motor.
  • Aircraft is understood to mean any type of flying means of transportation or transport, be it manned or unmanned.
  • Fig. 5 A block diagram of a device for electrical power supply electrical and / or electronic components of a converter
  • Fig. 6 A view of an aircraft
  • FIG. 1 shows a schematic cross section of a coaxial DC capacitor connection to power electronics and cooling.
  • the power electronics or power module 2 can be seen, a heat sink 3, which is not one Cooling medium shown can be flowed through, and a capacitor 4, for example an intermediate circuit capacitor, which can be implemented, for example, as a film capacitor.
  • a coaxial DC capacitor connection which is constructed from two DC conductor elements 7, 8, runs coaxially to the capacitor 4.
  • the first DC conductor element 7 has a first potential, which can be embodied, for example, as a DC through-hole lying on a positive potential.
  • the second DC conductor element 8 has a second potential and can be designed, for example, as a DC via contact lying at a negative potential.
  • the second DC conductor element 8 runs coaxially inside the first DC conductor element 7.
  • the first DC conductor element 7 partly as a pin, for example as
  • Screw 5 is formed and presses the capacitor 4 onto the heat sink 3 by fastening in a thread 12, here the thread 12 of a screw nut 6.
  • a plate 16 for example a spring plate, is attached between the capacitor 4 and the head of the screw 5 and presses the capacitor 4 onto the heat sink 3 by means of the screw 5.
  • a thermally (highly) conductive plate 16 for example made of a mechanically stable ceramic (Si3N4, A1203), an additional thermal path is created via the screw 5 from the side of the capacitor 4 facing away from the heat sink 3 to the heat sink 3 the condenser 4 cooled on both sides.
  • the screw 5 can be fastened by a thread 12 in the capacitor 4, here designed as a threaded insert.
  • the head of the screw 5 is on the side of the capacitor 4 and the screw benmutter 6 on the side of the power module 2.
  • An alternative alternative is the positioning of the head of the Screw 5 on the side of the power module 2 and the
  • the heat sink 3 can be formed from electrically insulating ceramic or alternatively made from metal with insulation to the first and second DC conductor elements 7, 8 det be.
  • Fig. 2 shows an alternative form of the embodiment to Fig. 1.
  • the alternative also shown in cross section, shows a version in which the power module 2 is soldered onto the cooling body 3 with a solder layer 10.
  • the heat sink by 3 has on the side of the power module 2 DC capacitor connection surfaces to which the power module 2 is soldered.
  • Power module 2 without base plates with multilayer substrates can have a coaxial pattern of the heat sink-side DC capacitor connection surfaces on the underside.
  • the soldering of the substrate to the cooling body 3 can also be used for electrical contacting of the power module 2, which further reduces the commutation inductance.
  • the advantage of this variant is that the contact point from the power module 2 to the heat sink 3 is optimally cooled with an ohmic contact resistance.
  • the losses of the screw contacts are often an additional heat source that would heat up the capacitor 4. Increased temperature changes in the contact point lead to a reduction in the service life. This is also improved.
  • the power module 2 is shown in more detail than in FIG. 1. You can see the multilayer substrate made of DCB,
  • the first DC conductor element 7 has a first potential, which can be implemented, for example, as a DC through-hole lying on a positive potential.
  • the second DC conductor element 8 has a second potential and can be designed, for example, as a DC via contact lying at a negative potential.
  • the screw 5 connects only the capacitor 4 and the heat sink 3.
  • the screw 5 runs through the complete capacitor 4 and is in an internal thread 12, which sits in the condenser 4, attached. In addition to the mechanical connection, this also creates an electrical via.
  • the third shows a sectional view through the heat sink 3 of a coaxial DC capacitor connection with a first DC conductor element 7 and a second DC conductor element 8.
  • the first DC conductor element 7 has a first potential, which is for example as one on a positive Potential DC through-plating can be implemented.
  • the second DC conductor element 8 has a second potential and can be designed, for example, as a DC plated-through hole which is at a negative potential.
  • the second DC conductor element 8 lying inside runs coaxially with the first DC conductor element 7.
  • FIG. 4 shows a sectional view through the heat sink 3 of a coaxial DC capacitor connection with four first DC conductor elements 7 and a second DC conductor element 8 as an alternative form of the embodiment to FIG. 3.
  • the first DC conductor elements 7 have a first potential, which can be implemented, for example, as a DC plated-through hole lying on a positive potential.
  • the second DC conductor element 8 has a second potential and can be designed, for example, as a DC via lying on a negative potential.
  • the second DC Conductor element 8 runs coaxially with the first DC conductor elements 7 arranged around it.
  • Fig. 5 shows a block diagram of a device 1 for the electrical energy supply of electrical and / or electronic components of a converter 12, with an active motor 13 and a propeller 14 of an aircraft 15.
  • the converter 12 may be a converter.
  • Fig. 6 shows a view of an electric or hybrid electric aircraft 15, as an example of an aircraft, with an invisible converter 12 which supplies the invisible electric motor 13 with electrical energy.
  • the electric motor 13 sets a propeller 14 in rotation.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung gibt eine Vorrichtung (1) zur elektrischen Energieversorgung elektrischer und/oder elektronischer Bauteile eines Stromrichters (17) mit mindestens einem Leistungsmodul (2), mindestens einem Kondensator (4), mindestens einem zwischen dem Leistungsmodul (2) und dem Kondensator (4) angeordneten Kühlkörper (3), ein erstes DC-Leiterelement (7) mit einem ersten Potenzial und mindestens ein weiteres zweites DC-Leiterelement (8) mit einem zweiten Potenzial. Das erste und das zweite DC-Leiterelement (7, 8) sind ausgebildet, das Leistungsmodul (2) und den Kondensator (4) mit elektrischer Energie zu versorgen. Das erste und das zweite DC-Leiterelement (7, 8) verlaufen durch den Kühlkörper (3) zueinander koaxial angeordnet. Außerdem gibt die Erfindung einen Stromrichter (17) und ein Luftfahrzeug an.

Description

Beschreibung
Energieversorgung elektrischer und/oder elektronischer Bau teile
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Energieversorgung elektrischer und/oder elektro nischer Bauteile eines Stromrichters. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Stromrichter und ein Luftfahrzeug mit ei ner derartigen Vorrichtung. Die Erfindung kann insbesondere im elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugantrieb in der Luftfahrt verwendet werden.
Beschreibung des Stands der Technik
Leistungsmodule werden zur Kühlung auf Kühlkörper (Flüssig- keits- oder Luftkühler) geschraubt. Viele Stromrichter- Topologien erfordern einen Zwischenkreiskondensator, der mög lichst niederinduktiv und niederohmig an ein Leistungsmodul elektrisch angebunden werden muss. Die notwendige Kapazität des Zwischenkreises ist in erster Näherung proportional zum erforderlichen Volumen und Gewicht des Kondensators. Oft be grenzt die zulässige Temperatur im Inneren des Kondensators eine optimale Ausnutzung der Endstufe. Die Verluste im Kon densator müssen daher durch eine gute thermische Anbindung abgeführt werden. Die Kühlung über die elektrischen An schlussflächen des Kondensators ist bei Folienkondensatoren am effektivsten.
Aus am Markt verfügbaren Produkten ist der Anmelderin be kannt, den Kondensator an die noch „freie" Unterseite des Kühlkörpers thermisch anzubinden, um möglichst kompakt und leicht zu bauen. Die Anbindung erfolgt meistens über Schraub verbindungen und einer Anpressmechanik. Die geforderte nie- derinduktive Anbindung wird über laminierte Busbars (elektrisch isoliert, thermisch leitfähig) mit entsprechenden Biegungen zum Leistungsmodul auf der gegenüberliegenden Seite des Kühlkörpers geführt und kontaktiert.
Dies hat den Nachteil, dass die Spannmechanik (Rahmen,
Schrauben, etc.) und die gebogene Kupfer-Busbar gewichtsin tensiv sind. Zudem ist die minimale Länge der Anbindung des Zwischenkreiskondensators an das Leistungsmodul durch die Kühlkörpergeometrie bestimmt. Diese Länge ist direkt propor tional zur Kommutierungsinduktivität und damit als kritisch anzusehen. Außerdem erschweren die Toleranzen die Schweißpro zesse. Das Schweißen wiederrum führt zu einer starren Verbin dung und zu einer thermomechanischen Belastung der Verbindung und des meist steifen keramischen Schaltungsträgers des Leis tungsmoduls. Schließlich erfordert das Niederdrücken der Bus- Bar Kontakte auf das Modul zusätzlichen mechanischen Aufwand.
Aus am Markt verfügbaren Produkten sind der Anmelderin auch Lösungen bekannt, bei denen die elektrische Kontaktierung der Kühlkörper abgewandten Seite des Kondensators die Aufgaben der elektrischen Leitung sowie der thermischen Wärmeableitung zum Kühlkörper hin übernimmt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Lösung für eine verbesserte elektrische Energieversorgung von elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen anzugeben, die insbesondere bei hybrid-elektrischen Antrieben in der Luftfahrt zum Ein satz kommen kann.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Vor richtung zur elektrischen Energieversorgung elektrischer und/oder elektronischer Bauteile eines Stromrichters, dem Stromrichter und dem Luftfahrzeug der unabhängigen Patentan sprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den ab hängigen Ansprüchen gegeben. Erfindungsgemäß wird ein Kondensator, insbesondere ein Zwi schenkreiskondensator, mittels zueinander koaxial angeordnet verlaufenden DC-Leiterelementen elektrisch an ein Leistungs modul und thermisch an einen Kühlkörper kontaktiert.
Die Erfindung beansprucht eine Vorrichtung zur elektrischen Energieversorgung elektrischer und/oder elektronischer Bau teile eines Stromrichters mit mindestens einem Leistungsmo dul, mindestens einem Kondensator, mindestens einem zwischen dem Leistungsmodul und dem Kondensator angeordneten Kühlkör per, ein erstes DC-Leiterelement mit einem ersten Potenzial und mindestens ein weiteres zweites DC-Leiterelement mit ei nem zweiten Potenzial. Das erste und das zweite DC- Leiterelement sind ausgebildet, das Leistungsmodul und den Kondensator mit elektrischer Energie zu versorgen, d.h. dass das erste und das zweite DC-Leiterelement elektrisch mit dem Leistungsmodul und dem Kondensator verbunden sind. Das erste und das zweite DC-Leiterelement verlaufen durch den Kühlkör per zueinander koaxial angeordnet. Die DC-Leiterelemente sind beispielsweise als Durchführung durch den Kühlkörper ausge führt. Der Kühlkörper ist von einem Kühlmedium umströmbar und/ oder durchströmbar .
Die Erfindung bietet den Vorteil einer gewichtssparenden thermischen, elektrischen und mechanischen Anbindung durch den Wegfall einer gewichtsintensiven und starren Busbar- Verschienung. Zusätzlich bietet die Erfindung den Vorteil ei ner sehr niederinduktiven Anbindung durch die durch den Kühl körper zueinander koaxial verlaufenden DC-Leiterelemente.
In einer weiteren Ausgestaltung kann der Kondensator ein Zwi schenkreiskondensator oder ein Flying Cap Kondensator, der z.B. als Folienkondensator ausführbar ist, sein.
In einer weiteren Ausführung ist, zumindest in dem im Kühl körper verlaufenden Bereich, das erste DC-Leiterelement als Stift ausgebildet ist und das zweite DC-Leiterelement als Hülse ausgebildet ist.
In einer Weiterbildung kann der Stift als Schraube ausgebil det sein, welche in ein Gewinde derart eindrehbar ist, dass der Kondensator und das Leistungsmodul auf den Kühlkörper pressbar sind.
Die Zwischenkreiskondensatorverschraubung bietet den Vorteil, dass sie multifunktional als thermische, elektrische sowie mechanische Kontaktierung des Kondensators an den Kühlkörper dient. Die Verschraubung stellt eine thermisch optimierte An bindung des Zwischenkreiskondensators durch die zweiseitige Kühlung (zweiter Wärmepfad durch Schraubverbindung) dar.
In einer weiteren Ausführung ist das Gewinde in einer Schrau benmutter in dem Kondensator oder in dem Kühlkörper ausgebil det. Dies kann zum Beispiel durch einen Gewinde-einsatz er folgen .
In einer weiteren Ausführung kann statt mit einem Stift die Verbindung zwischen Leistungsmodul und Kühlkörper mit einer Lötschicht hergestellt werden. Der Kühlkörper kann auf der Seite des Leistungsmoduls DC-Kondensator-Anschlussflachen be sitzen, auf die das Leistungsmodul aufgelötet wird. Boden plattenlose Leistungsmodule können auf der Unterseite ein ko axiales Muster der kühlkörperseitigen DC-
Kondensatorschlussflachen besitzen. Dadurch kann die Lötung des Substrats auf den Kühlkörper auch zur elektrischen Kon taktierung des Leistungsmoduls eingesetzt werden, welche die Kommutierungsinduktivität weiter reduziert. Zwischen der Lot schicht kann sich zusätzlich ein Isolationsverguss befinden.
In einer weiteren Ausführung kann das Leistungsmodul aus Mul- tilayersubstraten gebildet sein. Dieses kann zum Beispiel aus aus DCB, AMB, LTCC und Leiterplatte bestehen. In einer Weiterbildung weist die Vorrichtung eine am Konden sator an der vom Kühlkörper abgewandter Seite angeordnete Platte, zum Beispiel ein Federplatte, auf, welche durch die Schraube an den Kondensator gepresst wird. Dies bietet den Vorteil, den Kondensator doppelseitig zu kühlen. Je nach An ordnung der Kontaktstellen des Kondensators, kann die Platte lokal elektrisch leitfähig bzw. isolierend sein.
In einer Weiterbildung ist der Kühlkörper aus einem
elektrisch-isolierenden keramischen Material gebildet. Alter nativ können die Durchgänge am Kondensator elektrisch iso liert sein. Elektrisch isolierte Durchgänge können beispiels weise mit Hohlzylindern ausgebildet werden.
Die Erfindung beansprucht außerdem einen Stromrichter mit ei ner erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In einer Weiterbildung kann der Stromrichter ein Umrichter sein .
Außerdem beansprucht die Erfindung ein Luftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und einem erfindungsgemäßen Stromrichter, beispielsweise für einen elektrischen oder hyb rid-elektrischen Flugantrieb.
In einer Weiterbildung kann das Luftfahrzeug ein Flugzeug sein .
In einer Weiterbildung verfügt das Luftfahrzeug über einen durch den Umrichter mit elektrischer Energie versorgten
Elektromotor und einen durch den Elektromotor in Rotation versetzbaren Propeller.
Erweiterungen mit zusätzlichen DC-Leiterelementen, Leistungs modulen, Kühlkörpern und/ oder Kondensatoren sind möglich. Unter Luftfahrzeug wird jede Art von fliegendem Fortbewe- gungs- oder Transportmittel, sei es bemannt oder unbemannt, verstanden .
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele an hand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
Fig. 1: Einen Querschnitt einer koaxialen DC-
Kondensatoranbindung an Leistungsmodul und Kühl körper,
Fig. 2: Einen Querschnitt einer koaxialen DC-
Kondensatoranbindung an Kühlkörper mit aufgelöte tem Leistungsmodul,
Fig. 3: Eine Draufsicht einer koaxialen DC-
Kondensatoranbindung,
Fig. 4: Eine Draufsicht einer weiteren koaxialen DC-
Kondensatoranbindung,
Fig. 5: Ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur elektri schen Energieversorgung elektrischer und/oder elektronischer Bauteile eines Stromrichters und
Fig. 6: Eine Ansicht eines Flugzeugs
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer koaxialen DC-Kondensatoranbindung an eine Leistungselektronik und eine Kühlung. Zu sehen ist die Leistungselektronik oder auch Leis tungsmodul 2 genannt, ein Kühlkörper 3, der von einem nicht dargestellten Kühlmedium durchströmbar ist, und ein Kondensa tor 4, zum Beispiel ein Zwischenkreiskondensator, der z.B. als Folienkondensator ausführbar ist.
Koaxial zum Kondensator 4 verläuft eine koaxiale DC- Kondensatoranbindung, welche aus zwei DC-Leiterelementen 7, 8 aufgebaut ist. Das erste DC-Leiterelement 7 verfügt über ein erstes Potenzial, welches zum Beispiel als eine auf einem po sitiven Potenzial liegende DC-Durchkontaktierung ausgeführt sein kann. Das zweite DC-Leiterelement 8 verfügt über ein zweites Potenzial und kann zum Beispiel als eine auf einem negativen Potenzial liegende DC-Durchkontaktierung ausgebil det sein. Zumindest im Bereich des Kühlkörpers 3 verläuft das zweite DC-Leiterelement 8 koaxial im Inneren des ersten DC- Leiterelements 7. Wobei im Beispiel das erste DC- Leiterelement 7 teilweise als Stift, beispielsweise als
Schraube 5, ausgebildet ist und durch die Befestigung in ei nem Gewinde 12, hier das Gewinde 12 einer Schraubenmutter 6, den Kondensator 4 auf den Kühlkörper 3 presst. Zwischen dem Kondensator 4 und dem Kopf der Schraube 5 ist eine Platte 16, zum Beispiel eine Federplatte, angebracht, welche durch die Schraube 5 den Kondensator 4 auf den Kühlkörper 3 presst. Durch die Pressung wird eine elektrische und thermische Kon taktierung der Kühlkörper 3 zugewandten Seite realisiert. Durch die Verwendung einer thermisch (hoch- ) leitfähigen Plat te 16, zum Beispiel aus einer mechanisch stabilen Keramik (Si3N4, A1203) entsteht über die Schraube 5 ein zusätzlicher thermischer Pfad von der Kühlkörper 3 abgewandten Seite des Kondensators 4 zum Kühlkörper 3. Dadurch wird der Kondensator 4 doppelseitig gekühlt.
Alternativ kann die Schraube 5 durch ein Gewinde 12 im Kon densator 4, hier als Gewindeeinsatz ausgeführt, befestigt werden. Im gezeigten Beispiel befindet sich der Kopf der Schraube 5 auf der Seite des Kondensators 4 und die Schrau benmutter 6 auf der Seite des Leistungsmoduls 2. Eine alter native Möglichkeit ist die Positionierung des Kopfes der Schraube 5 auf der Seite des Leistungsmodules 2 und die
Schraubenmutter 6 auf der Seite des Kondensators 4.
Zwischen dem ersten DC-Leiterelement 7 und dem zweiten DC- Leiterelement 8 befinden sich elektrische Isolierschichten 9. Der Kühlkörper 3 kann aus elektrisch-isolierender Keramik ausgebildet sein oder alternativ aus Metall mit Isolierungen zu dem ersten und dem zweiten DC-Leiterelement 7, 8 ausgebil det sein.
Fig. 2 zeigt eine alternative Form der Ausführung zu Fig. 1. Die Alternative, ebenfalls im Querschnitt dargestellt, zeigt eine Version, in welcher das Leistungsmodul 2 auf den Kühl körper 3 mit einer Lötschicht 10 aufgelötet ist. Der Kühlkör per 3 besitzt auf der Seite des Leistungsmoduls 2 DC- Kondensator-Anschlussflachen, auf die das Leistungsmodul 2 aufgelötet wird. Bodenplattenlose Leistungsmodule 2 mit Mul- tilayersubstraten können auf der Unterseite ein koaxiales Muster der kühlkörperseitigen DC-Kondensatorschlussflachen besitzen. Dadurch kann die Lötung des Substrats auf den Kühl körper 3 auch zur elektrischen Kontaktierung des Leistungsmo duls 2 eingesetzt werden, welche die Kommutierungsinduktivi tät weiter reduziert. Der Vorteil dieser Variante ist, dass die Kontaktstelle vom Leistungsmodul 2 zum Kühlkörper 3 so mit einem ohmschen Übergangswiderstand optimal gekühlt wird. Oftmals sind die Verluste der Schraubkontakte eine zusätzli che Wärmequelle, die den Kondensator 4 aufheizen würden. Zu dem führen erhöhte Temperaturwechsel der Kontaktstelle zu ei ner Reduktion der Lebensdauer. Dies wird hiermit auch verbes sert .
Zudem ist das Leistungsmodul 2 detaillierter als in Fig. 1 dargestellt. Zu sehen ist das Multilagensubstrat aus DCB,
AMB, LTCC und Leiterplatte. Auf der Lotschicht 10 befindet sich ein Isolationsverguss 11 (z.B. als Underfill-Material , welches z.B. durch speziell dafür vorgesehene Zuleitungen im Substratlayout appliziert wird oder Anschluss im Rand eines Schaltungsträger findet) . Wie in Fig. 2 besitzt der Kondensa- tor ein erstes DC-Leiterelement 7 und ein zweites DC- Leiterelement 8. Das erste DC-Leiterelement 7 verfügt über ein erstes Potenzial, welches zum Beispiel als eine auf einem positiven Potenzial liegende DC-Durchkontaktierung ausgeführt sein kann. Das zweite DC-Leiterelement 8 verfügt über ein zweites Potenzial und kann zum Beispiel als eine auf einem negativen Potenzial liegende DC-Durchkontaktierung ausgebil det sein. Zwischen den positiven ersten DC-Anschlüssen 7 und den negative DC-Durchkontaktierungen 8 befinden sich elektri sche Isolierschichten 9. In dieser Ausführung verbindet die Schraube 5 nur den Kondensator 4 und den Kühlkörper 3. Die Schraube 5 verläuft durch den kompletten Kondensator 4 und wird in einem Innengewinde 12, welches im Kondensator 4 sitzt, befestigt. So entsteht zusätzlich zur mechanischen Verbindung auch eine elektrische Durchkontaktierung.
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht durch den Kühlkörper 3 einer koaxialen DC-Kondensatoranbindung mit einem ersten DC- Leiterelement 7 und einem zweiten DC-Leiterelement 8. Das erste DC-Leiterelement 7 verfügt über ein erstes Potenzial, welches zum Beispiel als eine auf einem positiven Potenzial liegende DC-Durchkontaktierung ausgeführt sein kann. Das zweite DC-Leiterelement 8 verfügt über ein zweites Potenzial und kann zum Beispiel als eine auf einem negativen Potenzial liegende DC-Durchkontaktierung ausgebildet sein. Das im Inne ren liegende zweite DC-Leiterelement 8 verläuft koaxial zu dem ersten DC-Leiterelement 7.
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht durch den Kühlkörper 3 einer koaxialen DC-Kondensatoranbindung mit vier ersten DC- Leiterelementen 7 und einem zweiten DC-Leiterelement 8 als eine zu Fig. 3 alternative Form der Ausführung. Die ersten DC-Leiterelemente 7 verfügen über ein erstes Potenzial, wel ches zum Beispiel als eine auf einem positiven Potenzial lie gende DC-Durchkontaktierung ausgeführt sein kann. Das zweite DC-Leiterelement 8 verfügt über ein zweites Potenzial und kann zum Beispiel als eine auf einem negativen Potenzial lie gende DC-Durchkontaktierung ausgebildet sein. Das zweite DC- Leiterelement 8 verläuft koaxial zu den darum angeordneten ersten DC-Leiterelementen 7.
In den Fig. 1 bis Fig. 4 sind Teile, die auf einem positiven Potenzial liegen, mit Pluszeichen versehen, Teile mit negati vem Potenzial weisen Minuszeichen auf.
Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zur elektrischen Energieversorgung elektrischer und/oder elektro nischer Bauteile eines Stromrichters 12, mit einem in Wirk verbindung stehenden Elektromotor 13 und einem Propeller 14 eines Flugzeuges 15. Der Stromrichter 12 kann ein Umrichter sein .
Fig. 6 zeigt eine Ansicht eines elektrischen oder hybrid elektrischen Flugzeugs 15, als Beispiel eines Luftfahrzeugs, mit einem den nicht sichtbaren Elektromotor 13 mit elektri scher Energie versorgenden nicht sichtbaren Stromrichter 12. Der Elektromotor 13 versetzt einen Propeller 14 in Rotation.
Der Mehrwert besteht zusätzlich zu der vorgestellten Anwen dung auch in anderen Anwendungen. Es gibt viele Umrichter An wendungen bei denen eine hohe Taktung verlangt wird und damit eine niederinduktive Anbindung notwendig ist. Generell trifft dies bei hohen Drehzahlen oder hohen Polzahlen der elektri schen Maschine zu.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und ande re Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur elektrischen Energieversorgung
elektrischer und/oder elektronischer Bauteile eines Strom richters ( 17 ) ,
aufweisend :
Mindestens ein Leistungsmodul (2),
Mindestens einen Kondensator (4),
Mindestens einen zwischen dem Leistungsmodul (2) und dem Kondensator (4) angeordneten Kühlkörper (3),
Mindestens ein erstes DC-Leiterelement (7) mit einem ersten Potenzial und
Mindestens ein zweites DC-Leiterelement (8) mit einem zweiten Potenzial,
wobei :
Das erste und das zweite DC-Leiterelement (7, 8) mit dem Leistungsmodul (2) und dem Kondensator (4) elektrisch verbun den sind und
Das erste und das zweite DC-Leiterelement (7, 8) durch den Kühlkörper (3) zueinander koaxial angeordnet verlaufen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kondensator (4), ein Zwischenkreiskondensator oder ein Flying Cap Kondensator ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in dem im Kühlkörper (3) verlaufenden Bereich:
Das erste DC-Leiterelement (7) als Stift ausgebildet ist und
Das zweite DC-Leiterelement (8) als Hülse ausgebildet ist .
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stift als Schraube (5) ausgebildet ist, welche in ein Ge winde (12) derart eindrehbar ist, dass der Kondensator (4) und das Leistungsmodul (2) auf den Kühlkörper (3) pressbar sind .
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gewinde (12) in einer Schraubenmutter (6), in dem Konden sator (4), oder in dem Kühlkörper (3) ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4,
gekennzeichnet durch:
eine am Kondensator (4) an der vom Kühlkörper (3) abgewandten Seite angeordnete Platte (16), welche durch die Schraube (5) an den Kondensator (4) gepresst wird.
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlkörper (3) aus einem elektrisch-isolierenden kerami schen Material gebildet ist.
8. Stromrichter (17) mit einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche.
9. Stromrichter (17) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stromrichter (17) ein Umrichter ist.
10. Luftfahrzeug mit einem Stromrichter (17) nach Anspruch 8 oder 9
für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugantrieb.
11. Luftfahrzeug nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Luftfahrzeug ein Flugzeug (15) ist.
12. Luftfahrzeug nach Anspruch 10 und 11,
gekennzeichnet durch:
einen durch den Umrichter mit elektrischer Energie ver sorgten Elektromotor (13) und einen durch den Elektromotor (13) in Rotation versetzba ren Propeller (14) .
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