СТЯЖНОЙ УЗЕЛ С ПРИЖИМНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ
COUPLING UNIT WITH CLAMPING MEMBER

Данное изобретение касается стяжного узла, содержащего сборку из механически стянутых, стопкой лежащих друг над другом компонентов, зажимное приспособление для оказания механического сжимающего усилия на указанную сборку из компонентов, а также прижимной элемент для передачи указанного механического сжимающего усилия от зажимного приспособления на сборку.
Стяжные узлы указанного рода известны из уровня техники.
В публикации DE 10 2011 006 990 A1 описан столбчатый стяжной узел, в котором расположенные стопкой друг над другом силовые диоды и охлаждающие элементы посредством выполненных как печатные платы прижимных элементов и стяжных винтов механически стянуты друг с другом. Создаваемое посредством стяжных винтов сжимающее усилие при этом точечно передается на печатные платы. В известном стяжном узле это ведет к неравномерному распределению давления. Давление, оказываемое в области центральной оси столбчатого стяжного узла, существенно выше, чем давление в его краевых зонах.
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить стяжной узел вышеуказанного рода, в котором передача сжимающего усилия происходит максимально равномерно.
Эта задача согласно изобретению решается в стяжном узле за счет прижимного элемента, который содержит металлический пеноматериал.
Благодаря использованию металлического пеноматериала, упругие свойства которого могут целенаправленно контролироваться и на которые можно влиять путем соответствующего изготовления, может быть обеспечено относительно равномерное распределение давления при передаче сжимающего усилия на сборку из компонентов. Это имеет особое значение, если такие компоненты представляют собой, например, подключенные параллельно полупроводниковые чипы, имеющие относительно большую поверхность, но при этом тонкие и хрупкие. Неравномерность передачи давления в таких случаях может привести к повреждению этих компонентов. Кроме того, соотношение размеров стягиваемых компонентов и указанного прижимного элемента может быть любым. Преимущество предлагаемого изобретением стяжного узла состоит в том, что он может применяться с компонентами любой величины.
Благодаря применению прижимного элемента, содержащего металлический пеноматериал, может быть дополнительно обеспечен эффект демпфирования колебаний в сборке. По сравнению с массивным материалом демпфирующие свойства металлического пеноматериала выше в 2-3 раза. Это может обеспечить преимущества, в частности, при использовании в высоковольтной технике (например, при электропередаче постоянным током высокого напряжения), где высокочастотное возбуждение вообще приводит компоненты сборки в колебание, и они тем самым подвергаются механической нагрузке.
В качестве металлического пеноматериала может использоваться, например, пена на основе стали, алюминия или оксида титана. Металлический пеноматериал может быть изготовлен методом порошковой металлургии, известным специалисту. При таком способе металлический порошок (например, алюминий) смешивается с выделяющим газ вспенивающим агентом (например, с гидридами титана). Затем эта порошковая смесь уплотняется и вспенивается в процессе термической обработки. Возможно также изготовление металлического пеноматериала пирометаллургическим методом, тоже известным специалисту. Способы изготовления металлического пеноматериала известны, например, из публикации DE 10 2006 031 213 B3. В этих известных способах количество и/или размер образующихся в металлической пене пор, а также их размеры и тем самым упругие свойства металлического пеноматериала могут выбираться практически любыми.
Эти упругие свойства могут быть охарактеризованы, соответственно, выражены количественно, например, через модуль упругости. С увеличением объемной доли пор соответственно понижается модуль упругости металлического пеноматериала, а тем самым и его жесткость.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения прижимной элемент содержит множество металлических пеноматериалов с различными упругими свойствами. За счет подходящего пространственного размещения металлических пеноматериалов в прижимном элементе можно особенно успешно целенаправленно регулировать поверхностное распределение давления и подгонять его под соответствующий случай применения. Низкий модуль упругости в этой связи означает высокую податливость металлического пеноматериала.
Согласно одному особенно предпочтительному варианту осуществления изобретения эти металлические пеноматериалы в прижимном элементе образуют подобласти, которые расположены таким образом, что жесткость этих подобластей возрастает изнутри наружу относительно центральной оси сборки. При таком пространственном расположении подобластей может быть обеспечена особенно равномерная передача сжимающего усилия.
2
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения указанная сборка содержит по меньшей мере один полупроводниковый элемент, причем этот полупроводниковый элемент содержит расположенные параллельно пластмассовые плоские корпуса с полупроводниковыми материалами (см., например, публикацию EP 1 403 923 A1). Таким образом, такой полупроводниковый элемент собирается из располагаемых рядом друг с другом полупроводниковых модулей. Эти полупроводниковые модули образуют параллельную схему из электрических компонентов. Например, речь может идти при этом о биполярном транзисторе с изолированным затвором (IGBT- Insulated Gate Bipolar Transistor), диодах или тиристорных элементах, или о соответствующих собранных модулях, располагающих собственными корпусами. Поверхность таких полупроводниковых модулей может иметь диаметр, например, от 6 до 9 мм. Подлежащая стягиванию поверхность компонентов может составлять между 400 и 1000 см.
Для охлаждения полупроводникового элемента сборка содержит предпочтительно по меньшей мере одну охлаждающую пластину из электропроводящего материала, причем эта по меньшей мере одна охлаждающая пластина расположена на полупроводниковом элементе с прилеганием к нему, так что возникает электрический контакт между этим полупроводниковым элементом и охлаждающей пластиной. Охлаждающая пластина предназначена для отвода тепла, выделяющегося в полупроводниковом элементе. Это тепло возникает, в частности, за счет прямого электрического сопротивления перехода полупроводникового элемента. Предпочтительно охлаждающая пластина выполнена также из теплопроводного материала, предпочтительно из материала с коэффициентом теплопроводности выше 200 Вт/(мK), например, из металла или металлического сплава.
Сборка может также содержать несколько расположенных друг над другом полупроводниковых элементов, причем каждый из этих полупроводниковых элементов снабжен по меньшей мере одной охлаждающей пластиной, и эти полупроводниковые элементы образуют последовательную электрическую схему.
Особенно предпочтительно, если каждый полупроводниковый элемент снабжен двумя охлаждающими пластинами, которые расположены с обеих сторон соответствующего полупроводникового элемента. Таким образом теплоотвод может происходить с обеих сторон полупроводникового элемента. Поскольку охлаждающие пластины выполнены из электропроводящего материала, то электрический контакт между полупроводниковыми элементами может осуществляться посредством этих охлаждающих пластин.
Для дальнейшего повышения равномерности передачи сжимающего усилия представляется особенно предпочтительным предусмотреть ответный прижимной элемент, который по отношению к сборке из компонентов расположен противоположно прижимному элементу. Ответный прижимной элемент может, но не должен, быть выполнен таким же, как прижимной элемент. В частности, оба они могут быть выполнены конусообразными, в форме усеченного конуса, в форме трапеции, или любой иной подходящей формы.
Изобретение касается также субмодуля вентильного преобразователя переменного тока по меньшей мере с одной последовательной схемой из ячеек распределительного устройства на силовых полупроводниковых приборах, каждая из которых содержит включаемый и отключаемый силовой полупроводниковый прибор с одинаковым направлением пропускания и, соответственно, является проводящей против этого направления пропускания, и расположенный в параллельной ему схеме подключения аккумулятор энергии. Пример такого субмодуля известен из заявки DE 101 030 31 A1.
Исходя из такого известного субмодуля еще одна задача изобретения заключается в том, чтобы предложить субмодуль вышеуказанного рода, который минимально подвержен ошибкам.
Эта задача согласно изобретению решается посредством субмодуля указанного рода, у которого последовательная схема из ячеек распределительного устройства на силовых полупроводниковых приборах реализована в описанном выше зажимном приспособлении.
Благодаря применению предлагаемого изобретением прижимного элемента может быть снижен риск повреждения, а тем самым и ошибки полупроводникового прибора вследствие неравномерного распределения давления.
Ниже изобретение поясняется подробно на представленном на фиг. 1 и 2 примере выполнения. На чертежах показано следующее.
Фиг. 1 - поперечное сечение предлагаемого изобретением стяжного узла в схематичном представлении, согласно одному примеру выполнения;
Фиг. 2 - вариант осуществления предлагаемого изобретением субмодуля в виде блок-схемы.
На Фиг. 1 детально показан схематичный вид сбоку предлагаемого изобретением стяжного узла 1. Этот стяжной узел 1 содержит сборку 2 из расположенных стопкой друг над другом компонентов 3, 4, 5, 6, 7, которые должны быть механически стянуты друг с другом. В представленном на Фиг. 1 примере осуществления изобретения компоненты 4 и 6 представляют собой полупроводниковые элементы. Компоненты 3, 5 и 7 являются охлаждающими пластинами, которые выполнены из электро- и теплопроводного материала. Между компонентами 3-7 сборки 2 возникает, таким образом, проводящее соединение, так что эти компоненты, и в частности, полупроводниковые модули 4, 6 образуют последовательную электрическую схему. Компоненты 3-7 сборки 2 стягиваются друг с другом, причем создаваемое не представленным на Фиг. 1 зажимным приспособлением механическое усилие оказывается на сборку 2 с обеих торцевых сторон. Зажимное приспособление может быть реализовано, например, в форме резьбового механизма. Направление производимого зажимным приспособлением механического усилия на Фиг. 1 обозначено ссылочными позициями 8 и 9. Передача этого механического усилия на стяжной узел 1 происходит посредством прижимного элемента 10 и ответного прижимного элемента 11. В показанном на Фиг. 1 примере выполнения этот стяжной узел 1 имеет круговую поверхность основания. Поэтому прижимной элемент и, соответственно, ответный прижимной элемент 10, соответственно, 11 имеют форму усеченного конуса.
Прижимной элемент 10 содержит металлические пеноматериалы, причем эти металлические пеноматериалы образуют пять подобластей 12-16. Подобласти 12, 13, 14, 15 и 16 расположены таким образом, что они частично охватывают друг друга. При этом подобласть 12 частично охвачена подобластью 13, подобласть 13 и подобласть 14, и, соответственно, подобласть 15 охвачены подобластью 16. Каждая подобласть 12-16 содержит один металлический пеноматериал, причем эти металлические пеноматериалы различаются, в частности, их модулями упругости. Металлический пеноматериал в подобласти 12 имеет при этом самый низкий модуль упругости. Это соответствует наиболее высокому содержанию газа, соответственно, самой низкой жесткости из всех подобластей. Соответственно, модуль упругости металлических пеноматериалов в подобластях 13-16 возрастает относительно центральной оси, соответственно, оси 17 симметрии стяжного узла изнутри наружу.
Противоположно прижимному элементу 10 расположен ответный прижимной элемент 11. Этот ответный прижимной элемент 11 выполнен зеркально подобным прижимному элементу 10. Таким образом, ответный прижимной элемент 11 содержит подобласти 18, 19, 20, 21, 22, каждая из которых содержит один металлический пеноматериал. Подобласти 18-22 различаются содержащимися в них металлическими пеноматериалами. Каждый из металлических пеноматериалов имеет модуль упругости, который соответственно прижимному элементу 10 имеет значение, возрастающее относительной оси 17 изнутри наружу.
На Фиг. 2 представлен пример выполнения предлагаемого изобретением субмодуля 23. Субмодуль 23 выполнен двухполюсным, причем полюса (клеммы) субмодуля 23 на Фиг. 2 отмечены ссылочными позициями 24, соответственно, 25. Субмодуль 23 образует часть на Фиг. 2 графически не представленного вентильного преобразователя переменного тока, причем множество других субмодулей 23, выполненных однотипно с субмодулем 23, включены последовательно с образованием одной фазной ветви вентильного преобразователя переменного тока. Субмодуль 23 содержит последовательную схему из ячеек 26 распределительного устройства на силовых полупроводниковых приборах, причем каждая из двух ячеек 26 распределительного устройства на силовых полупроводниковых приборах состоит из одного переключателя 27 на силовых полупроводниковых приборах и подключенного с ним встречно-параллельно диода 28. Субмодуль 23 содержит также накопительный конденсатор 29, установленный параллельно последовательной схеме из ячеек 26 распределительного устройства на силовых полупроводниковых приборах. Эта последовательная схема ячеек 26 распределительного устройства на силовых полупроводниковых приборах выполнена в форме представленного на Фиг. 1 стяжного узла 1.
Перечень ссылочных обозначений
1 стяжной узел
2 сборка из компонентов
3-7 компоненты
8, 9 стрелка
10 прижимной элемент
11 ответный прижимной элемент
12-16 подобласть
17 центральная ось
18-22 подобласть
23 субмодуль
24, 25 клемма
26 ячейка распределительного устройства на силовых полупроводниковых приборах
27 переключатель на силовых полупроводниковых приборах
28 диод
29 аккумулятор энергии.