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Die Erfindung beschreibt ein integriertes leistungselektronisches System, vorzugsweise zur Ausbildung einer damit realisierten Schaltungsanordnung in Form eines Stromrichters, beispielhaft eines Drei-Phasen-Wechselrichters. Derartige Systeme finden bevorzugt Anwendung in elektrischen Antrieben verschiedener Arten von Fahrzeugen, speziell auch bei Nutzfahrzeugen. Ein gattungsgemäßes leistungselektronisches System ist aus der
DE 10 2010 043 446 B3 bekannt.
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Diese Druckschrift offenbart ein Leistungshalbleitersystem mit einem Metallformkörper, mit mindestens einem Kondensator und mit einem Leitungssystem für ein fluides Arbeitsmedium. Hierbei ist das Leitungssystems durch eine Mehrzahl von ersten Hohlräumen im Metallformkörper gebildet. Der Metallformkörper weist weiterhin eine Vertiefung für einen gekühlten Kondensator auf, wobei der Kondensator ein ungehauster Kondensator ist und mittels eines Abstandshalters und eines Vergussmittels in einer Vertiefung angeordnet ist.
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Grundsätzlich können leistungselektronische Systeme, die Gehäuse mit Einzügen aufweisen, insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen, mit dem Problem von Spritzwasser konfrontiert sein. Derartiges Spritzwasser kann sich in den Einzügen sammeln und bei entsprechenden Umgebungsbedingungen gefrieren. Da sich Wasser hierbei ausdehnt ist eine Zerstörung, Deformation oder zumindest Beschädigung des Gehäuses des leistungselektronischen Systems möglich. Dies trifft vermehrt zu, wenn das leistungselektronische System derart in einem Fahrzeug verbaut ist, dass Wasser aus dem betroffenen Einzug nicht ablaufen kann, der Einzug also im Wesentlichen „nach oben“ ausgerichtet ist.
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Aus der
US 6,265,840 B1 ist eine elektronische Einrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, welche in einem zweiteiligen Gehäuse eine zum Schalten hoher Ströme ausgebildete Elektronikeinheit aufweist, wobei zur Unterdrückung der dadurch hervorgerufenen Störsignale eine Kondensatoreinheit im Gehäuse angeordnet ist. Bei einer elektronischen Einrichtung, welche einfach herstellbar ist und bei welcher die von den elektronischen Schaltungen erzeugte Wärme die Funktion der elektronischen Schaltung nicht weiter beeinflusst, ist die großflächig ausgebildete Kondensatoreinheit wärmetechnisch mit einem ersten Gehäuseteil und die Elektronikeinheit wärmetechnisch mit einem zweiten Gehäuseteil verbunden.
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In Kenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein leistungselektronisches System vorzustellen, das eine kompakte Einheit aus einer leistungselektronischen Schaltung, einer Kondensatoreinrichtung und einer Anschlusseinrichtung bildet und in Fahrzeugen in beliebiger Einbaulage einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein leistungselektronisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße leistungselektronisches System weist ein mehrteilig ausgebildetes Gehäuse mit mindestens einem rahmenartigen Gehäuseteil und mindestens einem Deckel, vorzugsweise aber mit einer Mehrzahl verschiedene Öffnungen des Gehäuses abdeckende Deckel, auf.
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Weiterhin weist das leistungselektronische System vorzugsweise am rahmenartigen Gehäuseteil angeordnete Anschlusseinrichtungen auf, die eine beliebige Kombinationen von elektrischen Lastanschlüssen, elektrischen Hilfs- bzw. Steueranschlüssen und Kühlmittelanschlüssen umfassen. Bei der Verwendung in Fahrzeugen ist meist bevorzugt eine Wasserkühlung mit entsprechenden Anschlusseinrichtungen vorzusehen.
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Weiterhin weist das leistungselektronische System eine leistungselektronische Schaltungsanordnung auf, die in bevorzugter Weise als ein im Gehäuse angeordnetes Leistungshalbleitermodul mit eigenem Gehäuse ausgebildet ist. Ebenso kann eine Mehrzahl gleichartiger oder identischer Leistungshalbleitermodule vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine leistungselektronische Schaltungsanordnung ohne eigenes Gehäuse vorgesehen sein.
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Mit der leistungselektronischen Schaltung und zugeordneten Anschlusseinrichtungen schaltungsgerecht verbunden ist eine Kondensatoreinrichtung in dem Gehäuse des leistungselektronischen Systems angeordnet. Bei dieser Kondensatoreinrichtung handelt es sich um eine Mehrzahl einzelner Kondensatoren, die vorzugsweise gleichartig ausgebildet und ebenso bevorzugt in einer ein- oder zweidimensionalen Matrix angeordnet sind.
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Die Kondensatoreinrichtung, insbesondere die Zwischenräume, und bevorzugt auch die unmittelbare Umgebung der Kondensatoren sind mit einer Vergussmasse vergossen, die die Zwischenräume nicht notwendiger Weise vollständig füllt. Diese Vergussmasse kann der Wärmeabfuhr und alternativ oder zusätzlich der mechanischen Stabilität beispielhaft gegen Vibrationen der Kondensatoreinrichtung dienen.
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Die Kondensatoreinrichtung wird, nicht notwendiger Weise vollständig von dem rahmenartigen Gehäuseteil umschlossen und ebenso nicht notwendiger Weise vollständig von einem ersten Deckel des Gehäuses bedeckt.
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Der erste Deckel weist mindestens einen Einzug, vorzugsweise eine Mehrzahl von Einzügen auf. Ein derartiger Einzug ist dadurch gekennzeichnet, dass er in mindestens einen Zwischenraum der Kondensatoreinrichtung hineinreicht, wodurch eine dort beispielhaft vorzusehende Vergussmasse verdrängt wird. Es wird durch derartige Einzüge also die notwendige Menge an Vergussmasse reduziert.
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Es können zwei Ausgestaltungen von Einzügen vorgesehen sein, wovon die zweite Ausgestaltung optional ist. Eine erste Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einzug in einen ersten Zwischenraum der Kondensatoreinrichtung hineinreicht, der ausschließlich durch Kondensatoren begrenzt ist. Eine zweite Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Einzug in einen zweiten Zwischenraum der Kondensatoreinrichtung hineinreicht, der durch mindestens einen Kondensator und mindestens einen Randbereich des rahmenartigen Gehäuseteils begrenzt ist.
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Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn der erste Deckel einen Planbereich aufweist, der der Kondensatoreinrichtung unmittelbar benachbart ist. Dieser Planbereich weist dann eine plane Hauptfläche auf. Bevorzugt weist dieser Planbereich einen ersten Einzug auf, deren Öffnung vollständig von dem Planbereich umschlossen ist und wobei der Einzug von dieser Öffnung ausgehend ausgebildet ist. Der Planbereich kann einen zweiten Einzug aufweisen, der an dessen Rand angeordnet sein, wodurch die Öffnung dieses zweiten Einzugs nicht vollständig sondern nur teilseitig vom Planbereich umschlossen ist.
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Jeder erste oder zweite Einzug weist eine Basis oder eine Mehrzahl durch Stege voneinander getrennte Basen auf. Eine derartige Basis ist für zweite Einzüge optional flächig plan, ballig oder spitz ausgeformt. Weist ein Einzug mehrere Basen auf, so können diese Basen verschiede Ausgestaltungen aufweisen. Wesentlich ist dass sich der Einzug von der Basis weg zu seiner Öffnung stetig oder unstetig verbreitert.
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Unter dem Begriff „stetig oder unstetig verbreitern“ soll im gesamten Text verstanden werden, dass aus Richtung einer beliebigen Basis zur Öffnung des zugeordneten Einzugs der Flächeninhalt jeder dort einbeschriebenen allseits begrenzten Fläche mit parallelen Flächennormalen entlang dieser Normalen von der Basis zur Öffnung stetig oder unstetig zunimmt. Somit wird kein Flächeninhalt der derart definierten Flächen entlang der Normalen von einer Basis zur Öffnung des jeweiligen Einzugs kleiner als der Flächeninhalt einer näher an der Basis angeordneten parallelen Fläche. Ebenso ist der Flächeninhalt der letzten einbeschriebenen Fläche deutlich größer als derjenige der in der Nähe der Basis einbeschreibbaren Flächen.
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Alternativ formuliert kann der Begriff „stetig oder unstetig verbreitern“ beschrieben werden indem für jeden von der Basis in Richtung der Öffnung eines zugeordneten Einzugs reichender Vektor gilt, dass die Flächeninhalte aller allseits begrenzten Flächen entlang dieses Vektors stetig oder unstetig zunehmen.
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Das erfindungsgemäße leistungselektronische System weist hierdurch den Vorteil auf, dass Flüssigkeit, insbesondere Wasser, das sich im Betrieb in den Einzügen angesammelt hat und dann während des Betriebs oder während des Stillstands in den festen Aggregatszustand übergegangen ist, bei diesem Übergang quasi selbstständig und unabhängig von der horizontalen Lage, also auch mit den Öffnungen der Einzüge „nach oben“ aus dem Einzügen herausdrückt.
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Weitere Erläuterung der Erfindung sowie vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung oder von Teilen hiervon.
- 1 zeigt ein erfindungsgemäßes leistungselektronisches System in dreidimensionaler Darstellung.
- 2 zeigt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems bei geöffnetem ersten Deckel in dreidimensionaler Darstellung.
- 3 zeigt einen Schnitt durch ein leistungselektronisches System gemäß 1.
- 4 zeigt einen Schnitt durch einen ersten Deckel in dreidimensionaler Darstellung.
- 5 zeigt den Deckel gemäß 4 in einer weiteren dreidimensionalen Darstellung.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes leistungselektronisches System 1 in dreidimensionaler Darstellung. Dargestellt ist hierbei im Wesentlichen das Gehäuse 2 des leistungselektronischen Systems, das einen rahmenartigen Gehäuseteil 20 aufweist, der eine Mehrzahl von Öffnung aufweist, die durch zwei verschieden ausgeprägte Deckel 3, 4 verschlossen sind.
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Weiterhin weist das Gehäuse 2 an seinem rahmenartigen Gehäuseteil 20 eine Mehrzahl von Anschlusseinrichtungen 22 auf. Es sind hier an einer einzigen Gehäuseseite alle Anschlusseinrichtungen 22 angeordnet. Diese Anschlusseinrichtungen 22 sind hier Laststromanschlüsse 220, beispielhaft zur Verbindung mit einem Elektromotor oder einem Energiespeicher, Steueranschlüsse 222 zur Ansteuerung des leistungselektronischen Systems und Kühlmittelanschüsse 224 zu dessen interner Kühlung.
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2 zeigt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems 1 gemäß 1 bei geöffnetem ersten Deckel 3 in dreidimensionaler Darstellung. Unterhalb, direkt benachbart zu dem nicht dargestellten ersten Deckel ist eine Kondensatoreinrichtung 6 angeordnet, die vgl. 1, von dem ersten Deckel 3 bedeckt wird.
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Die Kondensatoreinrichtung 6 besteht aus einer Mehrzahl von einzelnen gleichartigen Kondensatoren 60, die in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind. Bei dieser Anordnung sind einige Kondensatoren 60 gegenüber benachbarten Kondensatoren 60 um neunzig Grad verdreht vorgesehen, wodurch sich Zwischenräume 62, 64 ergeben. Unter Zwischenraum 62, 64 wird hier nicht der Raum zwischen quasi direkt benachbarten Kondensatoren 60 verstanden, sondern nur der Raum mit einem Abstand von Kondensator zu Kondensator, der ein Fünftel der Ausdehnung des einzelnen Kondensators überschreitet. Erste Zwischenräume 62 sind hierbei lateral allseits von Kondensatoren 60 umschlossen, während zweite Zwischenräume 64 lateral an mindestens einer Seite nicht von Kondensatoren 60 sondern vom Gehäuse 2 bzw. dessen Innenwand 208 begrenzt sind.
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Grundsätzlich sollte jegliches Volumen zwischen den Kondensatoren 60 und zwischen den Kondensatoren 60 und dem sie umgebenden Gehäuse 2, hier dem rahmenartigen Gehäuseteil 20 und dem ersten nicht dargestellten Deckel 3 mit Vergussmasse 620 vergossen sein. Diese Vergussmasse 620 dient insbesondere der Wärmeabfuhr der Kondensatoren 60 an das Gehäuse 2. Um hierbei Vergussmasse 620 einzusparen ist es vorgesehen, dass in die Zwischenräume 32, 34 Einzüge des ersten Deckels 3 hineinreichen, vergleiche hierzu 1 und 3.
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Weiterhin dargestellt ist eine Dichtfläche 202 des rahmenartigen Gehäuseteils 20 und Ausnehmungen 206 zur Anordnung von Verbindungseinrichtungen 308, vgl. 1, zur Montage des ersten Deckels 3.
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3 zeigt einen Schnitt durch ein leistungselektronisches System 1 gemäß 1. Hierbei sind der rahmenartige Gehäuseteil 20 sowie die an einer Seite dieses Gehäuseteils 20 vorgesehenen Anschlusseinrichtungen 22 dargestellt. Im Inneren des Gehäuses 2 ist ein Leistungshalbleitermodul 50, das die leistungselektronische Schaltungsanordnung 5 ausbildet, eine Kondensatoreinrichtung 6 und weitere Komponenten 7 dargestellt. Diese weiteren Komponenten 7 können Ansteuerplatinen, Sensoren, Verschienungselemente zur Stromverteilung oder eine Kühleinrichtung sein.
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Die Anschlusseinrichtungen 22 und die genannten Komponenten 7 wie auch das Leistungshalbleitermodul 50 und die Kondensatoreinrichtung 6 sind schaltungsgerecht miteinander verbunden.
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Insbesondere erkennbar ist, dass die Kondensatoreinrichtung 6 aus einer Mehrzahl gleichartiger Kondensatoren 60 besteht, die hier, allerdings nicht notwendiger Weise, auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sind. Lateral umgeben wird die Kondensatoreinrichtung 6 durch das rahmenartige Gehäuseteil 20, wobei die Kondensatoren 60 ein wenig aus der durch dieses Gehäuseteil 20 gebildeten Öffnung herausragen.
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Überdeckt werden die Kondensatoren 60 der Kondensatoreinrichtung 6 durch einen ersten Deckel 3, der hier zwei verschiedene Ausgestaltungen von Einzügen 32, 34 aufweist.
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Es ist weiterhin ersichtlich, dass ein erster Einzüge 32 des ersten Deckels 3 in einen ersten Zwischenraum 62, denjenigen nur durch Kondensatoren 60 begrenzten hineinreicht, während ein zweiter Einzug 34 des ersten Deckels 3 in einen zweiten Zwischenraum 64 begrenzt durch Kondensatoren 60 und eine Innenwand 208 im Randbereich des rahmenartigen Gehäuses 20 hineinragt.
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Durch diese Einzüge 32, 34 wird das Volumen des jeweiligen Zwischenraums 62, 64 das mit Vergussmasse 620 zu füllen wäre deutlich verringert, wodurch Vergussmasse 620 eingespart wird. Neben der Abfuhr von Wärme kann die Vergussmasse 620 der Dämpfung der Bewegung der Kondensatoren 60 dienen, falls diese durch äußere Kräfte auf das leistungselektronische System 1 zu Bewegungen, insbesondere zu Schwingungen, angeregt werden. Da die Vergussmasse 620 typischerweise gelartig ausgebildet ist kann ein zu großes zusammenhängendes Volumen diese Bewegung nicht ausreichend dämpfen. Da durch die Einzüge 32, 34 das Volumen zwischen Kondensatoren 60 bzw. zwischen Kondensatoren 60 und Gehäuse 2 wesentlich verringert wird ergibt sich somit auch eine wesentliche Verbesserung der Schwingungsdämpfung.
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4 zeigt einen Schnitt durch einen ersten Deckel 3 in dreidimensionaler Darstellung, während 5 diesen ersten Deckel 3 aus Sicht des Gehäuseinneren zeigt. Hierbei weist der erste Deckel 3 einen Randbereich und einen Planbereich 36, der eine plane Hauptfläche ausbildet, auf. Im Randbereich des Deckels ist eine Dichteinrichtung 302 vorgesehen, die mit Dichtflächen 202 des rahmenartigen Gehäuseteils 20, vgl. 2 korrespondiert und somit bei montiertem ersten Deckel 3 das Gehäuse 2 feuchtigkeitsdicht verschließt. Hierzu sind im Randbereich weiterhin Verbindungselemente 304 mit Ausnehmungen 306 vorgesehen, wobei diese Ausnehmungen mit zugeordneten Ausnehmungen 206 des Gehäuses 2, vgl. 2, korrespondieren. Durch Anordnung von Schrauben 308, vgl. 1, in diesen Ausnehmungen entsteht die genannte feuchtigkeitsdichte Abdichtung des Gehäuses.
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Ein erster und ein zweiter Einzug 32, 34 des ersten Deckels 3 sind hierbei ebenfalls dargestellt. Beide weisen hier nicht nur eine Basis 320, 340, gewissermaßen das „Gegenstück“ zu Öffnung an der Hauptfläche auf. Diese Basis 320, 340 kann als plane Fläche ausgebildet sein, die beispielsweise mittels einer Rundung oder im einfachsten Fall mittels einer Kante in den Randbereich des Einzugs übergeht. Alternativ kann die Basis 320, 340 ballig, quasi als eine Teilfläche einer Kugel oder auch spitz ausgebildet sein.
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Wesentlich bei allen Ausgestaltungen von Einzügen 32, 34 ist, dass gemäß obiger Definition von der Basis 320, 340 zur Öffnung sich der Einzug stetig oder unstetig verbreitert. Nur mit dieser Ausgestaltung ist es möglich, dass Wasser, das sich in einem derartigen Einzug 32, 34 angesammelt hat und anschließend in den festen Aggregatszustand, Eis, übergegangen ist, sich quasi selbstständig hierbei aus dem Einzug 32, 34 herausdrückt. In einfachen Worten ausgedrückt und auf einen runden Einzug mit genau einer Basis bezogen, darf sich der Durchmesser in Richtung von der Basis zur Öffnung an keiner Stelle verringern.
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Diese Anforderung gilt angepasst ebenso an die hier dargestellten Einzüge 32, 34 mit jeweils mehr als einer Basis 320, 340, wobei die jeweiligen Basen 320, 340 durch Stege 322, 342 voneinander getrennt sind. In der Regel reichen diese Stege 322, 342 nicht bis an die Öffnung des Einzugs, wodurch im ersten Bereich nach der Basis 320, 340 einzelnen Teileinzüge vorliegen, die im Verlauf zur Öffnung hin zu einem oberen Teilauszug verschmelzen.
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Ebenso gilt diese Anforderung angepasst an erste Deckel 3, die keine plane Hauptfläche sondern eine konturierte Fläche aufweisen.
