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WO2020141053A1 - Electrical circuit having a cooling means, in particular for applications in aircraft - Google Patents

Electrical circuit having a cooling means, in particular for applications in aircraft Download PDF

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Publication number
WO2020141053A1
WO2020141053A1 PCT/EP2019/084835 EP2019084835W WO2020141053A1 WO 2020141053 A1 WO2020141053 A1 WO 2020141053A1 EP 2019084835 W EP2019084835 W EP 2019084835W WO 2020141053 A1 WO2020141053 A1 WO 2020141053A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cooling
circuit
circuit arrangement
cooling channel
converter
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/084835
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Marco BOHLLÄNDER
Stanley Buchert
Uwe Waltrich
Antonio Zangaro
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
Publication of WO2020141053A1 publication Critical patent/WO2020141053A1/en

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Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement with a first heat sink with a partially open upward th cooling channel and with a angeord in the first cooling channel designated electrical power module.
  • the invention also relates to a converter and an aircraft with such a circuit arrangement.
  • driver circuits are used to control the power modules. According to the state of the art, these are implemented on organic printed circuit boards and connected to the power modules containing the semiconductor components via solder or spring contacts.
  • the driver board is usually insufficiently connected to cooling the power module.
  • the driver board is usually cooled via the control connections, via screw connections or via a thermal paste that spreads the heat generation at certain points.
  • Circuits on the board come to hotspots on the driver circuit.
  • a first aspect of the invention is to use a bypass cooling channel to branch off part of the cooling medium from the main stream of a cooling medium that cools the power modules and to use it for cooling the driver circuit.
  • the invention claims a circuit arrangement comprising:
  • a first heat sink with at least one first cooling channel which is at least partially open at the top and
  • At least one electrical power module arranged in the first cooling duct
  • a second heat sink arranged above the power module with at least one second cooling channel open at the top
  • circuit carrier plate having an electrical circuit, which is arranged on the second heat sink in such a way that it closes the second cooling channel from above,
  • Connection channels between the first and the second cooling body which are designed to partially channel a cooling medium flowing into the first cooling channel into the second cooling channel and out of the second cooling channel.
  • the electrical circuit can be a driver circuit that is designed to control the electrical power module.
  • first cooling fins can be formed in a base plate of the power module, and the cooling medium can flow around them.
  • the scarf device carrier plate can be a multi-layer substrate.
  • the lowermost layer of the multi-layer substrate can be made of ceramic.
  • Appropriate metallization or metal inlays in the ceramic include welded or soldered sealing surfaces between the multilayer substrate and the second heat sink are also possible.
  • second cooling fins are formed in the lowermost layer of the multi-layer substrate, and the cooling medium can flow around them.
  • the electrical circuit is connected to the power module by means of contact elements which are arranged between the second cooling channels.
  • the circuit arrangement is used in a power converter.
  • a converter in particular a converter, with a circuit arrangement according to the invention.
  • a converter is also referred to as an inverter, which generates an AC voltage with a frequency and amplitude that is changed from an AC voltage or DC voltage.
  • Inverters are often designed as AC / DC-DC / AC converters or DC / AC converters, an AC output voltage being generated from an AC input voltage or an DC input voltage via a DC voltage intermediate circuit and clocked semiconductors.
  • the circuit arrangement is used in an aircraft.
  • the invention claims an aircraft, in particular an aircraft, with a converter according to the invention for an electric or hybrid-electric flight drive.
  • Aircraft is understood to mean any type of flying means of transportation or transportation, be it manned or unmanned.
  • the aircraft has an electric motor supplied with electrical energy by the converter and a propeller which can be rotated by the electric motor.
  • the invention can also be used for the on-board supply system for air vehicles and is suitable for applications in motor vehicles.
  • the exemplary load on aircraft is not restrictive for the invention.
  • FIG. 2 is a sectional view of a circuit arrangement with egg ner bypass cooling
  • Fig. 3 shows a further sectional view
  • Fig. 5 is a spatial view of a section through a
  • Fig. 6 is a block diagram of a converter with a by pass cooling
  • Fig. 1 shows a cross section through a circuit arrangement of a power electronics according to the prior art, as is used, for example, in a converter.
  • a first heat sink 10 can be seen on which a power module 12 is arranged.
  • An overlying driver circuit 13 with a circuit board 131 is by means of electrically conductive contact elements 15 with the power module 12
  • the driver circuit 13 controls the power modules 12 in a known manner.
  • Fig. 2 shows a cross section through a circuit arrangement 1 with a so-called “bypass cooling”.
  • a first cooling channel 101 is formed in a first cooling body 10, through which a main cooling stream H of a cooling medium (not shown), for example air or water, flows.
  • the first cooling channel 101 is open at the top and takes a performance dul 12 on.
  • the power module 12 has a base plate 121, which preferably tightly closes the cavity of the first cooling channel 101 from above.
  • first cooling fins 122 are formed on the underside of the bottom plate 121. These who the from the main cooling stream H among other things.
  • a second heat sink 11 with second cooling channels 111 partially open at the top.
  • the driver circuit 13 is fitted into the resulting cavity.
  • the second cooling channels 111 are connected to the first cooling channel 101 via connecting channels 14, so that a secondary cooling stream B (which can also be referred to as secondary cooling stream or bypass cooling) of the cooling medium is branched off from the main cooling stream H.
  • the secondary cooling flow B flows through the second cooling channels 111 and can thus cool the driver circuit 13 from below.
  • the lowermost layer of the circuit carrier plate 131 is preferably made of a ceramic with second cooling fins 132.
  • This ceramic cooling structure 132 can have a metallic edge or a metal structure, so that tight soldering and welding to the second heat sink 11 is possible.
  • the driver circuit 13 is electrically connected to the power modules 12 via contact elements 15.
  • the second cooling channels 111 and the second heat sink 11 are designed such that the contact elements 15 can pass through the second heat sink 11 freely, as shown in FIG. 3 based on the sectional view along the plane AA of FIG. 2 can be seen.
  • the contact elements 15, the ceramic cooling structure 132 of the circuit carrier plate 131 and the second cooling channels 111 of the second heat sink 11 can be seen.
  • the secondary cooling flow B is also shown.
  • the driver circuit 13 is preferably implemented with a ceramic multilayer substrate (HTCC, LTCC), which is used for cooling as an end plate in the open second cooling channels 111.
  • the driver circuit 13 is arranged above the power module 12 with a minimum of the semiconductor components. This is possible by means of a correspondingly designed second heat sink 11 (for example by 3D printing or metal casting), which has the bypass in a second spatial plane.
  • the bypass for cooling is also open, in which the ceramic driver substrate can be used.
  • the second cooling duct 111 preferably consists of a plurality of ducts with parallel flow, which makes it possible to carry out the signal pins (e.g. spring contact pins).
  • the additional ceramic cooling structures on the multilayer substrate improve the heat transfer between the substrate and the cooling medium.
  • Fig. 4 and Fig. 5 show spatial views of a circuit arrangement 1 with a bypass cooling.
  • the circuit board 131 of the driver circuit 13 is shown transparently and shows no components. This makes the structures underneath easier to see.
  • the main cooling stream H of the cooling medium, not shown, is passed through the first cooling duct 101 of the first cooling body 10.
  • a secondary cooling stream B is branched off from the main cooling stream H and passed through the second cooling channels 111 of the second heat sink 11.
  • the main cooling flow H is responsible for cooling the power modules 12, which are located above the first heat sink 10.
  • the first cooling duct 101 opens upwards and thus forms a cavity into which the base plate 121 of the power module 12 is fitted.
  • the contact elements 15 establish the electrical connection between the driver circuit 13 and the power modules 12.
  • the circuit board 131 is preferably made of multiple layers and can have a ceramic cooling structure with second cooling fins 132 on the side facing away from the components.
  • the first and second cooling fins 122, 132 are preferably designed as pin fins.
  • Fig. 6 shows a block diagram of a converter 16, in particular a converter, with a circuit arrangement 1 according to FIG. 1 to Fig. 5.
  • Fig. 7 shows an electric or hybrid-electric air vehicle 17, in particular an aircraft, with a converter 16 according to FIG. 6, which supplies an electric motor 181 with electrical energy.
  • the electric motor 181 drives a propeller 182. Both are part of an electric slipcase generating unit 18.

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Abstract

The invention provides a circuit arrangement (1) and comprises: a first cooling body (10) having at least one first cooling channel (101) which is at least partially open at the top; at least one electrical power module (12) arranged in the first cooling channel (101); a second cooling body (11), arranged above the power module (12), having at least one second cooling channel (111) which is at least partially open at the top; a circuit support plate (131) which has an electrical circuit (13) and is arranged on the second cooling body (11) such that said circuit support plate closes the second cooling channel (111) from above; and connection channels (14) between the first and the second cooling body (10, 11), which channels are designed to route a cooling medium flowing into the first cooling channel (10) partially into the second cooling channel (11) and out of the second cooling channel (11). The invention also provides a converter (16) and an aircraft (17) comprising such a circuit arrangement (1).

Description

Beschreibung description

Elektrische Schaltung mit Kühlung insbesondere für Anwendun gen in Luftfahrzeugen Electrical circuit with cooling, in particular for applications in aircraft

Gebiet der Erfindung Field of the Invention

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem ersten Kühlkörper mit einem nach oben teilweise offenen ers ten Kühlkanal und mit einem in dem ersten Kühlkanal angeord neten elektrischen Leistungsmodul. Die Erfindung betrifft auch einen Stromrichter und ein Luftfahrzeug mit einer derar tigen Schaltungsanordnung. The invention relates to a circuit arrangement with a first heat sink with a partially open upward th cooling channel and with a angeord in the first cooling channel designated electrical power module. The invention also relates to a converter and an aircraft with such a circuit arrangement.

Hintergrund der Erfindung Background of the Invention

Bei Stromrichtern werden zur Steuerung der Leistungsmodule Treiberschaltungen eingesetzt. Diese werden nach dem Stand der Technik auf organischen Leiterplatten realisiert und über Löt- oder auch Federkontakte mit den Leistungsmodulen, die die Halbleiterbauelemente enthalten, verbunden. Die Treiber platine ist üblicherweise ungenügend an eine Kühlung des Leistungsmoduls angebunden. Die Kühlung der Treiberplatine erfolgt in der Regel über die Steuerungsanschlüsse, über Schraubverbindungen oder über eine Wärmeleitpaste, die punk tuell die Wärmeerzeugung spreizt. In the case of power converters, driver circuits are used to control the power modules. According to the state of the art, these are implemented on organic printed circuit boards and connected to the power modules containing the semiconductor components via solder or spring contacts. The driver board is usually insufficiently connected to cooling the power module. The driver board is usually cooled via the control connections, via screw connections or via a thermal paste that spreads the heat generation at certain points.

Bei schnellschaltenden Halbleiterbauelementen ist es jedoch vorteilhaft, eine sehr niederinduktive bzw. niederohmige An bindung der Treiberplatine an die Halbleiterbauelemente zu realisieren, um die hohen Schaltgeschwindigkeiten erreichen zu können. D.h. die Treiberschaltung muss sehr nahe an das Wärme abgebende Leistungsmodul angebracht werden, was auch das freie Volumen eines Stromrichters reduziert. Dies erfor dert jedoch eine sehr temperaturstabile Treiberschaltung, da die schnell schaltenden Bauelemente des Leistungsmoduls, ba sierend auf SiC oder GaN, zukünftig absehbar auch bei Tempe raturen deutlich über 150 °C betrieben werden. Die entstehende Abwärme der Halbleiterbauelemente kann auf grund Konvektion und Strahlung zu kritischen Temperaturen auf bzw. in der Treiberschaltung führen. Des Weiteren kann es als Folge einer starken Miniaturisierung (d.h. hochgepackte In the case of fast-switching semiconductor components, however, it is advantageous to implement a very low-inductance or low-resistance connection of the driver board to the semiconductor components in order to be able to achieve the high switching speeds. This means that the driver circuit must be attached very close to the heat-emitting power module, which also reduces the free volume of a converter. However, this requires a very temperature-stable driver circuit, since the fast-switching components of the power module, based on SiC or GaN, will in future also be operated at temperatures well above 150 ° C. The resulting waste heat from the semiconductor components can lead to critical temperatures on or in the driver circuit due to convection and radiation. Furthermore, as a result of strong miniaturization (ie, highly packaged

Schaltungen auf der Platine) zu Hotspots auf der Treiber schaltung kommen. Circuits on the board) come to hotspots on the driver circuit.

Es ist üblich, das Schaltungslayout auf den Treiberplatinen wegen der thermischen Belastung der Bauteile zu entzerren so wie Zwischenschichten aus Kupfer einzulegen, um eine großflä chige Spreizung für eine freien Konvektion zu erreichen. Die Kühlung erfolgt oftmals relativ unspezifisch über die Befes tigungsschrauben an dem Gehäuse oder an der Kühlplatte. An sonsten ist die thermische Anbindung durch das organische FR4 Material als Isolation relativ gering. It is common to equalize the circuit layout on the driver boards due to the thermal stress on the components, as well as to insert copper interlayers in order to achieve a large spread for free convection. The cooling is often relatively unspecific via the fastening screws on the housing or on the cooling plate. Otherwise the thermal connection through the organic FR4 material as insulation is relatively low.

In der nachveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2018 216 859.8 ist eine Kühlung von Leistungsmodulen beispielhaft be schrieben . In the post-published patent application DE 10 2018 216 859.8, cooling of power modules is described as an example.

Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, durch die eine Kühlung der Treiberschaltung in einem Stromrichter verbessert werden kann. Dies ist insbesondere für Anwendungen in der Luftfahrt von großer Bedeutung. It is an object of the invention to provide a solution by which cooling of the driver circuit in a converter can be improved. This is particularly important for applications in aviation.

Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. The invention results from the features of the independent claims. Advantageous further developments and refinements are the subject of the dependent claims. Further features, possible applications and advantages of the invention result from the following description.

Ein erster Aspekt der Erfindung besteht darin, über einen By pass-Kühlkanal aus dem die Leistungsmodule kühlenden Haupt strom eines Kühlmediums einen Teil des Kühlmediums abzuzwei gen und für die Kühlung der Treiberschaltung zu verwenden. Die Erfindung beansprucht eine Schaltungsanordnung, aufwei send : A first aspect of the invention is to use a bypass cooling channel to branch off part of the cooling medium from the main stream of a cooling medium that cools the power modules and to use it for cooling the driver circuit. The invention claims a circuit arrangement comprising:

einen ersten Kühlkörper mit mindestens einem nach oben zu mindest teilweise offenen ersten Kühlkanal und a first heat sink with at least one first cooling channel which is at least partially open at the top and

mindestens ein in dem ersten Kühlkanal angeordnetes elekt risches Leistungsmodul, at least one electrical power module arranged in the first cooling duct,

einen oberhalb des Leistungsmoduls angeordneten zweiten Kühlkörper mit mindestens einem nach oben offenen zweiten Kühlkanal , a second heat sink arranged above the power module with at least one second cooling channel open at the top,

eine eine elektrische Schaltung aufweisende Schaltungsträ- gerplatte, die auf dem zweiten Kühlkörper derart angeord net ist, dass sie den zweiten Kühlkanal von oben her schließt, und a circuit carrier plate having an electrical circuit, which is arranged on the second heat sink in such a way that it closes the second cooling channel from above, and

Verbindungkanäle zwischen dem ersten und dem zweiten Kühl körper, die ausgebildet sind, ein in den ersten Kühlkanal einströmendes Kühlmedium teilweise in den zweiten Kühlka nal und aus dem zweiten Kühlkanal zu lenken. Connection channels between the first and the second cooling body, which are designed to partially channel a cooling medium flowing into the first cooling channel into the second cooling channel and out of the second cooling channel.

Dadurch wird eine mehrlagige Schaltungsanordnung mit einem Bypass für die Kühlung der Treiberschaltung geschaffen. Die Erfindung bietet mehrere Vorteile im Vergleich zu bekannten Lösungen : This creates a multi-layer circuit arrangement with a bypass for cooling the driver circuit. The invention offers several advantages compared to known solutions:

eine höhere mechanische Festigkeit/Steifigkeit, wodurch keine zusätzlichen Stützverschraubungen erforderlich sind, eine hohe Robustheit gegenüber Vibrationen, a higher mechanical strength / rigidity, which means that no additional support screw connections are required, high robustness against vibrations,

eine höhere Temperaturfestigkeit, wodurch eine kompaktere Bauweise möglich ist, a higher temperature resistance, which enables a more compact design,

ein kleinerer thermischer Ausdehnungskoeffizient, wodurch die Lebensdauer der Schaltungsanordnung steigt, a smaller coefficient of thermal expansion, which increases the service life of the circuit arrangement,

eine höhere Wärmeleitfähigkeit, higher thermal conductivity,

eine höhere chemische Beständig a higher chemical resistance

keit/Korrosionsbeständigkeit gegenüber jeglicher Kühlflüs sigkeit, resistance / corrosion resistance to any coolant,

eine höhere Kriechstromfestigkeit im Vergleich zu organi schen Leiterplatten, wodurch die Zuverlässigkeit erhöht wird, und 3D Geometrien durch additive Herstellung der HTCC/LTCC, z.B. ist eine Kühlstruktur auf der Leiterplattenunterseite der Treiberschaltung möglich. a higher tracking resistance than organic circuit boards, which increases reliability, and 3D geometries through additive manufacturing of the HTCC / LTCC, eg a cooling structure on the underside of the driver circuit is possible.

In einer Weiterbildung kann die elektrische Schaltung eine Treiberschaltung sein, die ausgebildet ist, das elektrische Leistungsmodul zu steuern. In one development, the electrical circuit can be a driver circuit that is designed to control the electrical power module.

In einer weiteren Ausgestaltung können in einer Bodenplatte des Leistungsmoduls erste Kühlrippen ausgebildet sein, die von dem Kühlmedium umströmbar sind. In a further embodiment, first cooling fins can be formed in a base plate of the power module, and the cooling medium can flow around them.

In einer weiteren Ausprägung der Erfindung kann die Schal tungsträgerplatte ein Mulitilagensubstrat sein. In a further embodiment of the invention, the scarf device carrier plate can be a multi-layer substrate.

In einer weiteren Ausgestaltung kann die unterste Lage des Mulitilagensubstrats aus Keramik sein. In a further embodiment, the lowermost layer of the multi-layer substrate can be made of ceramic.

Durch eine entsprechende Metallisierung bzw. durch Metallin lays in der Keramik (bzw. umlaufend um die Keramik) sind u.a. auch geschweißte oder gelötete Dichtflächen zwischen dem Mu litilagensubstrat und dem zweiten Kühlkörper möglich. Appropriate metallization or metal inlays in the ceramic (or all around the ceramic) include welded or soldered sealing surfaces between the multilayer substrate and the second heat sink are also possible.

In einer weiteren Ausgestaltung sind in der untersten Lage des Mulitilagensubstrats zweite Kühlrippen ausgebildete, die von dem Kühlmedium umströmbar sind. In a further embodiment, second cooling fins are formed in the lowermost layer of the multi-layer substrate, and the cooling medium can flow around them.

In einer weiteren Ausbildung ist die elektrische Schaltung mit dem Leistungsmodul mittels Kontaktelementen verbunden, die zwischen den zweiten Kühlkanälen angeordnet sind. In a further embodiment, the electrical circuit is connected to the power module by means of contact elements which are arranged between the second cooling channels.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Schaltungsan ordnung in einem Stromrichter eingesetzt. In a further aspect of the invention, the circuit arrangement is used in a power converter.

Die Erfindung beansprucht einen Stromrichter, insbesondere einen Umrichter, mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanord nung . Als Umrichter, auch Inverter genannt, wird ein Stromrichter bezeichnet, der aus einer Wechselspannung oder Gleichspannung eine in der Frequenz und Amplitude veränderte Wechselspannung erzeugt. Häufig sind Umrichter als AC/DC-DC/AC-Umrichter oder DC/AC-Umrichter ausgebildet, wobei aus einer Eingangswechsel spannung oder einer Eingangsgleichspannung über einen Gleich- spannungszwischenkreis und getakteten Halbleitern eine Aus gangswechselspannung erzeugt wird. The invention claims a converter, in particular a converter, with a circuit arrangement according to the invention. A converter is also referred to as an inverter, which generates an AC voltage with a frequency and amplitude that is changed from an AC voltage or DC voltage. Inverters are often designed as AC / DC-DC / AC converters or DC / AC converters, an AC output voltage being generated from an AC input voltage or an DC input voltage via a DC voltage intermediate circuit and clocked semiconductors.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Schaltungsan ordnung in einem Luftfahrzeug eingesetzt. In a further aspect of the invention, the circuit arrangement is used in an aircraft.

Die Erfindung beansprucht ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug, mit einem erfindungsgemäßen Stromrichter für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugantrieb. The invention claims an aircraft, in particular an aircraft, with a converter according to the invention for an electric or hybrid-electric flight drive.

Unter Luftfahrzeug wird jede Art von fliegendem Fortbewe- gungs- oder Transportmittel, sei es bemannt oder unbemannt, verstanden . Aircraft is understood to mean any type of flying means of transportation or transportation, be it manned or unmanned.

In einer Weiterbildung weist das Luftfahrzeug einen durch den Stromrichter mit elektrischer Energie versorgten Elektromotor und einen durch den Elektromotor in Rotation versetzbaren Propeller auf. In one development, the aircraft has an electric motor supplied with electrical energy by the converter and a propeller which can be rotated by the electric motor.

Die Erfindung ist auch für die Bordnetzversorgung bei Luft fahrzeugen einsetzbar und für Anwendungen bei Kraftfahrzeugen geeignet. Die beispielshafte Beanspruchung von Luftfahrzeugen ist nicht einschränkend für die Erfindung. The invention can also be used for the on-board supply system for air vehicles and is suitable for applications in motor vehicles. The exemplary load on aircraft is not restrictive for the invention.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich. Further special features and advantages of the invention will become apparent from the following explanations of several exemplary embodiments with the aid of schematic drawings.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Schaltungsanordnung gemäß Stand der Technik, Show it: 1 shows a cross section through a circuit arrangement according to the prior art,

Fig. 2 eine Schnittansicht einer Schaltungsanordnung mit ei ner Bypasskühlung, 2 is a sectional view of a circuit arrangement with egg ner bypass cooling,

Fig. 3 eine weitere Schnittansicht Fig. 3 shows a further sectional view

Fig. 4 eine räumliche Ansicht einer Schaltungsanordnung mit einer Bypasskühlung, 4 shows a spatial view of a circuit arrangement with bypass cooling,

Fig. 5 eine räumliche Ansicht eines Schnitts durch eine Fig. 5 is a spatial view of a section through a

Schaltungsanordnung mit einem Bypass zur Kühlung, Circuit arrangement with a bypass for cooling,

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Stromrichters mit einer By passkühlung und Fig. 6 is a block diagram of a converter with a by pass cooling and

Fig. 7 ein Luftfahrzeug mit einer elektrischen Schuberzeu 7 shows an aircraft with an electric slipcase

gungseinheit . unit.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung Detailed description of the invention

Fig . 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Schaltungsanordnung einer Leistungselektronik gemäß Stand der Technik, wie sie beispielsweise in einem Umrichter eingesetzt wird. Zu sehen ist ein erster Kühlkörper 10 auf dem ein Leistungsmodul 12 angeordnet ist. Eine darüberliegende Treiberschaltung 13 mit einer Schaltungsträgerplatte 131 ist mittels elektrisch leit fähiger Kontaktelemente 15 mit dem Leistungsmodul 12 Fig. 1 shows a cross section through a circuit arrangement of a power electronics according to the prior art, as is used, for example, in a converter. A first heat sink 10 can be seen on which a power module 12 is arranged. An overlying driver circuit 13 with a circuit board 131 is by means of electrically conductive contact elements 15 with the power module 12

elektrisch verbunden. Die Treiberschaltung 13 steuert die Leistungsmodule 12 in bekannter Weise. electrically connected. The driver circuit 13 controls the power modules 12 in a known manner.

Fig . 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Schaltungsanordnung 1 mit einer sogenannten „Bypasskühlung". In einem ersten Kühlkörper 10 ist ein erster Kühlkanal 101 ausgebildet, durch den ein Hauptkühlstrom H eines nicht dargestellten Kühlmedi ums, beispielsweise Luft oder Wasser, strömt. Der erste Kühl kanal 101 ist nach oben hin offen und nimmt ein Leistungsmo- dul 12 auf. Das Leistungsmodul 12 weist eine Bodenplatte 121 auf, die vorzugsweise die Kavität des ersten Kühlkanals 101 von oben her dicht verschließt. An der Unterseite der Boden platte 121 sind erste Kühlrippen 122 ausgebildet. Diese wer den von dem Hauptkühlstrom H u.a. entwärmt . Fig. 2 shows a cross section through a circuit arrangement 1 with a so-called “bypass cooling”. A first cooling channel 101 is formed in a first cooling body 10, through which a main cooling stream H of a cooling medium (not shown), for example air or water, flows. The first cooling channel 101 is open at the top and takes a performance dul 12 on. The power module 12 has a base plate 121, which preferably tightly closes the cavity of the first cooling channel 101 from above. On the underside of the bottom plate 121, first cooling fins 122 are formed. These who the from the main cooling stream H among other things.

Oberhalb des Leistungsmoduls 12 befindet sich ein zweiter Kühlkörper 11 mit nach oben teilweise offenen zweiten Kühlka nälen 111. In die dadurch entstehende Kavität ist die Trei berschaltung 13 eingepasst. Die zweiten Kühlkanäle 111 sind mit dem ersten Kühlkanal 101 über Verbindungskanäle 14 ver bunden, sodass aus dem Hauptkühlstrom H ein Nebenkühlstrom B (auch mit Sekundärkühlstrom oder Bypasskühlung bezeichenbar) des Kühlmediums abgezweigt wird. Der Nebenkühlstrom B durch strömt die zweiten Kühlkanäle 111 und kann so die Treiber schaltung 13 von unten her entwärmen. Above the power module 12 there is a second heat sink 11 with second cooling channels 111 partially open at the top. The driver circuit 13 is fitted into the resulting cavity. The second cooling channels 111 are connected to the first cooling channel 101 via connecting channels 14, so that a secondary cooling stream B (which can also be referred to as secondary cooling stream or bypass cooling) of the cooling medium is branched off from the main cooling stream H. The secondary cooling flow B flows through the second cooling channels 111 and can thus cool the driver circuit 13 from below.

Die Treiberschaltung 13 weist eine mehrlagige Schaltungsträ- gerplatte 131 (= Multilagensubstrat) auf, auf der und/oder in der nicht dargestellte elektrische Bauelemente für die Steue rung der Leistungsmodule 12 angeordnet sind. Die unterste La ge der Schaltungsträgerplatte 131 ist bevorzugt aus einer Ke ramik mit zweiten Kühlrippen 132. Diese keramische Kühlstruk tur 132 kann einen metallischen Rand aufweisen oder eine Me tallstruktur aufweisen, so dass eine dichte Verlötung und Verschweißung mit dem zweiten Kühlkörper 11 möglich ist. The driver circuit 13 has a multilayer circuit board 131 (= multilayer substrate), on which and / or in which electrical components (not shown) for the control of the power modules 12 are arranged. The lowermost layer of the circuit carrier plate 131 is preferably made of a ceramic with second cooling fins 132. This ceramic cooling structure 132 can have a metallic edge or a metal structure, so that tight soldering and welding to the second heat sink 11 is possible.

Über Kontaktelemente 15 ist die Treiberschaltung 13 mit den Leistungsmodulen 12 elektrische verbunden. Die zweiten Kühl kanäle 111 und der zweite Kühlkörper 11 sind so ausgebildet, dass die Kontaktelemente 15 ungehindert den zweiten Kühlkör per 11 passieren können, wie in Fig . 3 anhand der Schnittan sicht entlang der Ebene AA der Fig . 2 zu sehen ist. In Fig . 3 sind die Kontaktelemente 15, die keramische Kühlstruktur 132 der Schaltungsträgerplatte 131 sowie die zweiten Kühlkanäle 111 des zweiten Kühlkörpers 11 zu erkennen. Dargestellt ist auch der Nebenkühlstrom B. Die Treiberschaltung 13 ist, wie bereits beschrieben, vor zugsweise mit einem keramischen Multilagensubstrat (HTCC, LTCC) realisiert, das zur Kühlung als Abschlussplatte in die offenen zweiten Kühlkanäle 111 eingesetzt ist. Die Treiber schaltung 13 ist über dem Leistungsmodul 12 mit minimalem Ab stand zu den Halbleiterbauelementen angeordnet. Dies ist durch einen entsprechend ausgebildeten zweiten Kühlkörper 11 (z.B. durch 3D Druck oder Metallguss) möglich, der in einer zweiten räumlichen Ebene den Bypass aufweist. Der Bypass zur Kühlung ist ebenfalls offen ausgeführt, in den das keramische Treibersubstrat eingesetzt werden kann. The driver circuit 13 is electrically connected to the power modules 12 via contact elements 15. The second cooling channels 111 and the second heat sink 11 are designed such that the contact elements 15 can pass through the second heat sink 11 freely, as shown in FIG. 3 based on the sectional view along the plane AA of FIG. 2 can be seen. In Fig. 3, the contact elements 15, the ceramic cooling structure 132 of the circuit carrier plate 131 and the second cooling channels 111 of the second heat sink 11 can be seen. The secondary cooling flow B is also shown. As already described, the driver circuit 13 is preferably implemented with a ceramic multilayer substrate (HTCC, LTCC), which is used for cooling as an end plate in the open second cooling channels 111. The driver circuit 13 is arranged above the power module 12 with a minimum of the semiconductor components. This is possible by means of a correspondingly designed second heat sink 11 (for example by 3D printing or metal casting), which has the bypass in a second spatial plane. The bypass for cooling is also open, in which the ceramic driver substrate can be used.

Bevorzugt besteht der zweite Kühlkanal 111 aus mehreren pa rallel durchströmten Kanälen, wodurch die Durchführung der Signal-Pins (z.B. Federkontaktstifte) möglich wird. The second cooling duct 111 preferably consists of a plurality of ducts with parallel flow, which makes it possible to carry out the signal pins (e.g. spring contact pins).

Die zusätzlichen keramischen Kühlstrukturen am Multilagensub strat verbessern den Wärmeübergang zwischen dem Substrat und dem Kühlmedium. The additional ceramic cooling structures on the multilayer substrate improve the heat transfer between the substrate and the cooling medium.

Fig . 4 und Fig . 5 zeigen räumliche Ansichten einer Schal tungsanordnung 1 mit einer Bypasskühlung. Der Übersichtlich keit wegen ist die Schaltungsträgerplatte 131 der Treiber schaltung 13 transparent dargestellt und zeigt keine Bauele mente. Dadurch sind die darunter liegenden Strukturen besser erkennbar. Durch den ersten Kühlkanal 101 des ersten Kühlkör pers 10 wird der Hauptkühlstrom H des nicht dargestellten Kühlmediums geleitet. Fig. 4 and Fig. 5 show spatial views of a circuit arrangement 1 with a bypass cooling. For the sake of clarity, the circuit board 131 of the driver circuit 13 is shown transparently and shows no components. This makes the structures underneath easier to see. The main cooling stream H of the cooling medium, not shown, is passed through the first cooling duct 101 of the first cooling body 10.

Mit Hilfe der Verbindungskanäle 14 wird aus dem Hauptkühl strom H ein Nebenkühlstrom B abgezweigt und durch die zweiten Kühlkanäle 111 des zweiten Kühlkörpers 11 geführt. Der Haupt kühlstrom H ist für die Entwärmung der Leistungsmodule 12 verantwortlich, die sich oberhalb des ersten Kühlkörpers 10 befinden. Dazu ist der erste Kühlkanal 101 nach oben hin ge öffnet und bildet somit eine Kavität, in die Bodenplatte 121 des Leistungsmoduls 12 eingepasst ist. Die Kontaktelemente 15 stellen die elektrische Verbindung zwischen der Treiberschaltung 13 und den Leistungsmodulen 12 her. Die Schaltungsträgerplatte 131 ist bevorzugt mehrlagig ausgeführt und kann auf der der Bauelemente abgewandten Seite eine keramische Kühlstruktur mit zweiten Kühlrippen 132 auf weisen. Die ersten und zweiten Kühlrippen 122, 132 sind be vorzugt als Pin-Fins ausgeführt. With the help of the connecting channels 14, a secondary cooling stream B is branched off from the main cooling stream H and passed through the second cooling channels 111 of the second heat sink 11. The main cooling flow H is responsible for cooling the power modules 12, which are located above the first heat sink 10. For this purpose, the first cooling duct 101 opens upwards and thus forms a cavity into which the base plate 121 of the power module 12 is fitted. The contact elements 15 establish the electrical connection between the driver circuit 13 and the power modules 12. The circuit board 131 is preferably made of multiple layers and can have a ceramic cooling structure with second cooling fins 132 on the side facing away from the components. The first and second cooling fins 122, 132 are preferably designed as pin fins.

Fig . 6 zeigt ein Blockschaltbild eines Stromrichters 16, ins- besondere eines Umrichters, mit einer Schaltungsanordnung 1 gemäß Fig . 1 bis Fig . 5 . Fig. 6 shows a block diagram of a converter 16, in particular a converter, with a circuit arrangement 1 according to FIG. 1 to Fig. 5.

Fig . 7 zeigt ein elektrisches oder hybrid-elektrisches Luft fahrzeug 17, insbesondere ein Flugzeug, mit einem Stromrich- ter 16 gemäß Fig . 6 , der einen Elektromotor 181 mit elektri scher Energie versorgt. Der Elektromotor 181 treibt einen Propeller 182 an. Beide sind Teil einer elektrischen Schuber zeugungseinheit 18. 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. Fig. 7 shows an electric or hybrid-electric air vehicle 17, in particular an aircraft, with a converter 16 according to FIG. 6, which supplies an electric motor 181 with electrical energy. The electric motor 181 drives a propeller 182. Both are part of an electric slipcase generating unit 18. Although the invention has been illustrated and described in detail by means of the exemplary embodiments, the invention is not restricted by the disclosed examples and other variations can be derived therefrom by a person skilled in the art without departing from the scope of protection of the invention .

Bezugszeichenliste Reference list

I Schaltungsanordnung I circuit arrangement

10 Erster Kühlkörper 10 First heat sink

101 Erster Kühlkanal 101 First cooling duct

II Zweiter Kühlkörper II Second heat sink

III Zweiter Kühlkanal III Second cooling channel

12 Leistungsmodul 12 power module

121 Bodenplatte des Leistungsmoduls 12 121 Base plate of the power module 12

122 Erste Kühlrippen der Bodenplatte 121 122 First cooling fins of the base plate 121

13 Treiberschaltung 13 driver circuit

131 Schaltungsträgerplatte 131 circuit board

132 Keramische Kühlstruktur mit zweiten Kühlrippen 132 Ceramic cooling structure with second cooling fins

14 Verbindungskanal 14 connecting channel

15 Kontaktelement 15 contact element

16 Stromrichter 16 power converters

17 Luftfahrzeug 17 aircraft

18 Elektrische Schuberzeugungseinheit 18 Electric thrust generating unit

181 Elektromotor 181 electric motor

182 Propeller 182 propellers

B Nebenkühlstrom (Bypass) B secondary cooling flow (bypass)

H Hauptkühlstrom H main cooling flow

Claims

Patentansprüche Claims 1. Schaltungsanordnung (1), aufweisend: 1. Circuit arrangement (1), comprising: einen ersten Kühlkörper (10) mit mindestens einem nach oben zumindest teilweise offenen ersten Kühlkanal (101) und mindestens ein in dem ersten Kühlkanal (101) angeordne tes elektrisches Leistungsmodul (12), a first heat sink (10) with at least one first cooling channel (101) which is at least partially open at the top and at least one electrical power module (12) arranged in the first cooling channel (101), gekennzeichnet durch: marked by: einen oberhalb des Leistungsmoduls (12) angeordneten zweiten Kühlkörper (11) mit mindestens einem zumindest teil weise nach oben offenen zweiten Kühlkanal (111), a second cooling body (11) arranged above the power module (12) with at least one second cooling channel (111) which is at least partially open at the top, eine eine elektrische Schaltung (13) aufweisende Schal tungsträgerplatte (131), die auf dem zweiten Kühlkörper (11) derart angeordnet ist, dass sie den zweiten Kühlkanal (111) von oben her schließt, und an electrical circuit (13) having scarf device carrier plate (131) which is arranged on the second heat sink (11) such that it closes the second cooling channel (111) from above, and Verbindungkanäle (14) zwischen dem ersten und dem zwei ten Kühlkörper (10, 11), die ausgebildet sind, ein in den ersten Kühlkanal (10) einströmendes Kühlmedium teilweise in den zweiten Kühlkanal (11) und aus dem zweiten Kühlkanal (11) zu lenken. Connection channels (14) between the first and the second heat sink (10, 11), which are designed to partially direct a cooling medium flowing into the first cooling channel (10) into the second cooling channel (11) and out of the second cooling channel (11) . 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2. Circuit arrangement according to claim 1, dadurch gekennzeichnet, characterized, dass die elektrische Schaltung eine Treiberschaltung (13) ist, die ausgebildet ist, das elektrische Leistungsmodul (12) zu steuern. that the electrical circuit is a driver circuit (13) which is designed to control the electrical power module (12). 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, 3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, gekennzeichnet durch: marked by: in einer Bodenplatte (121) des Leistungsmoduls (12) aus gebildete erste Kühlrippen (122), die von dem Kühlmedium um- strömbar sind. in a base plate (121) of the power module (12) formed from first cooling fins (122) around which the cooling medium can flow. 4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, 4. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, dadurch gekennzeichnet, characterized, dass die Schaltungsträgerplatte (131) ein Mulitilagensubstrat ist . that the circuit carrier plate (131) is a multi-layer substrate. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, 5. Circuit arrangement according to claim 4, dadurch gekennzeichnet, characterized, dass die unterste Lage des Mulitilagensubstrats aus Keramik ist . that the bottom layer of the multi-layer substrate is made of ceramic. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, 6. Circuit arrangement according to claim 4 or 5, gekennzeichnet durch: marked by: - in der untersten Lage des Mulitilagensubstrats ausgebildete zweite Kühlrippen (132), die von dem Kühlmedium umströmbar sind . - In the lowest position of the multi-layer substrate formed second cooling fins (132) which can be flowed around by the cooling medium. 7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, 7. Circuit arrangement according to one of the preceding claims, gekennzeichnet durch: marked by: die elektrische Schaltung (13) mit dem Leistungsmodul (12) verbindende Kontaktelemente (15), die zwischen den zwei ten Kühlkanälen (111) angeordnet sind. the electrical circuit (13) with the power module (12) connecting contact elements (15) which are arranged between the two th cooling channels (111). 8. Stromrichter (16) mit einer Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 8. converter (16) with a circuit arrangement (1) according to any one of the preceding claims. 9. Stromrichter nach Anspruch 8, 9. converter according to claim 8, dadurch gekennzeichnet, characterized, dass der Stromrichter (16) ein Umrichter ist. that the converter (16) is a converter. 10. Luftfahrzeug (17) mit einem Stromrichter (16) nach An spruch 8 oder 9 für einen elektrischen oder hybrid 10. Aircraft (17) with a converter (16) according to claim 8 or 9 for an electric or hybrid elektrischen Flugantrieb. electric flight drive. 11. Luftfahrzeug nach Anspruch 10, 11. Aircraft according to claim 10, dadurch gekennzeichnet, characterized, dass das Luftfahrzeug (17) ein Flugzeug ist. that the aircraft (17) is an aircraft. 12. Luftfahrzeug nach Anspruch 10 und 11, 12. Aircraft according to claim 10 and 11, gekennzeichnet durch: marked by: einen durch den Stromrichter (16) mit elektrischer Ener gie versorgten Elektromotor (181) und einen durch den Elektromotor (181) in Rotation versetz baren Propeller (182) . an electric motor (181) supplied by the converter (16) with electrical energy and a propeller (182) which can be set in rotation by the electric motor (181).
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