[发明专利]带有足够精确测定的热交换器的冷却回路

说明书

技术领域

本发明涉及一种尤其借助于热虹吸冷却回路使热从来自功率电子模块或具有功率电子模块的变流器(Umrichter)的功率电子设备(Leistungselektronik)导出的领域。

背景技术

功率电子设备的电气元件和电子元件经常可理解成半导体元件，例如绝缘栅场效应晶体管(IGBT's)、晶闸管、二极管、电阻、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET's)以及这些结构元件的组合等等。后面将概念功率电子设备理解成功率电子元件，其在运行中典型地具有大于500伏特的反向电压(Sperrspannung)。在运行中必须冷却这些电气元件和电子元件，因为其由于非常高的功率密度而产生同样非常高的热流，需要将该热流高效地导出。在现代的变流器中经常将功率电子元件成组地整合在功率模块中。变流器例如可使用来驱动工业碾磨机、车辆、船和/或一般用于转换电压或变换电压。

如果未将热从半导体元件中导出，则该半导体元件可受到损害，这在极端情况中可导致变流器的运行者必须接受由于维修引起的运行中断。需要避免这种运行中断，因为其可对变流器的运行者导致显著的经济损失。

因为变流器的每结构体积(Bauvolumen)的功率密度随着变流器的渐增的微型化而上升，所以对于紧凑但还更有效率的冷却系统的需求渐增地上升。在变流器的运行中，将功率电子设备的热流从变流器中导出典型地通过热交换器或者经由与变流器相连接的冷却水流来实现或者经由初级回路的冷却空气流来实现。在此借助于次级冷却回路将功率电子元件的热流通过热交换器传递到初级冷却流处。

从次级冷却回路通过热交换器在热方面待传递到初级冷却流处的功率不仅在呈冷却水流的形式的初级冷却流的情况中而且在呈冷却空气流的形式的初级冷却流的情况中形成重要的参数，因为该参数影响用于安置对于冷却通道来说足够的截面的结构体积的需求量，以及影响用于安置泵、通风设备等等的结构体积的需求量。

因此本发明的目的在于提供一种经改进的功率电子模块和经改进的变流器，与相同的功率级的已知的功率电子模块或变流器相比，利用其可实现更小的结构体积。在此将概念结构体积理解成在其空间、尺寸上的大小的空间需求。

发明内容

该目的通过根据权利要求1的功率电子模块来解决。

已知的功率电子模块在运行中有时不仅具有第一运行状态，而且具有第二运行状态(或切换情况)，在该第二运行状态中功率电子元件的电路不同于第一运行状态。相应地，不仅与第一切换情况相关联的第一功率电子元件需要热冷却，而且与第二切换情况相关联的功率电子元件需要热冷却。为了该目的，第一功率电子元件经常通过用于容纳第一热流的第一冷却器在热方面与第一功率电子元件相连接，而第二功率电子元件经常通过用于容纳第二热流的第二冷却器在热方面与第二功率电子元件相连接。

如果现在运行中某些功率电子元件不仅在第一运行状态产生热流而且在第二运行状态中产生热流(需要通过热交换器将其导出到初级冷却流处)，那么典型地在热方面针对可导出的热流来设计热交换器，该热流在数值上相应于最大的第一热流和最大的第二热流的总和。这引起不仅相应地来确定热交换器的大小而且引起相应地来确定初级冷却流与其通道元件和驱动器件(例如泵或通风设备)的大小以用于产生初级冷却流。

然而在更进一步的研究中已经显示出在功率电子模块的第一运行状态中出现最大的第一热流，而在功率电子模块的关于第一运行状态在时间上偏移的第二运行状态中出现最大的第二热流，从而在实际中完全从未出现最大的第一热流和最大的第二热流的总和且因此还不必将其导出到初级冷却流处，因为实际上待导出的热流始终更小。作为对此的结果显示出迄今的初级冷却流和与之相关联的所有元件(如通道截面、泵、通风设备等等)始终分配得(bemessen)太大。

相比于传统的解决方案，利用根据本发明思想的解决方案可通过以下方式将热交换器的结构体积保持得更小，即，功率电子模块在以下配置中包括以下元件：

·第一功率电子元件，其在功率电子模块的运行中产生第一热流；

·第二功率电子元件，其在功率电子模块的运行中产生第二热流；

·带有第一冷却器、第二冷却器以及热交换器的次级冷却回路；其中，用于容纳第一热流的第一冷却器在热方面与第一功率电子元件相连接，并且其中，用于容纳第二热流的第二冷却器在热方面与第二功率电子元件相连接；

·将热交换器构造成用于在功率电子模块的运行中将第一热流和第二热流的至少一部分传递到初级冷却流处；