ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С ЗАЖИМНЫМ УСТРОЙСТВОМ
ELECTRIC MODULE COMPRISING A TENSIONING DEVICE

Изобретение относится к электрическим модулям с электрическими компонентами, в частности стопками компонентов, при которых для сжатия создается зажимное усилие.
Электрические модули со стопками компонентов известны, например, в области многоуровневых преобразователей.
Многоуровневые преобразователи описаны, например, в докладе на конференции "An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for Wide Power Range" (Аnton Lesnicar, Rainer Marquardt, 2003 IEEE Bologna Power Tech Conference, June 23-26, Bologna, Italy).
Чтобы создавать необходимые для механического сжатия зажимные усилия в уложенных друг на друга компонентах или стопках компонентов, в настоящее время используются резьбовые системы в комбинации с тарельчатыми пружинами или другими пружинными элементами, которые вводят механическую силу в механическую систему. Однако введение зажимного усилия осуществляется, как правило, выборочно (точечным образом) с одним или несколькими винтовыми элементами через упоры, так что не всегда можно реализовать однородное распределение зажимного усилия на большой площади. Как раз для очень больших полупроводниковых элементов с известными выборочными резьбовыми механизмами очень трудно реализовать однородное распределение зажимного усилия по всей поверхности полупроводника.
В уровне техники известны электрические модули с по меньшей мере одним электрическим компонентом, причем электрический модуль имеет по меньшей мере одно полое тело, заполненное или заполняемое сжимаемой газовой средой, которое прикладывает усилие сжатия, зависящее от его существующего внутри полого тела  внутреннего давления, к по меньшей мере одному компоненту модуля (см., например, US 2010/0039770 A1, 18.02.2010).
Таким образом, в основе изобретения лежит задача создать электрический модуль, в котором зажимное усилие для сжатия модуля можно генерировать с очень незначительными затратами, а также очень однородно по поверхности модуля.
Эта задача решается в соответствии с изобретением электрическим модулем с признаками согласно пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления соответствующего изобретению модуля приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с изобретением предусмотрено, что электрический модуль имеет по меньшей мере одно полое тело, заполненное или заполняемое средой, в частности флюидом, которое прикладывает усилие сжатия, зависящее от существующего внутри полого тела внутреннего давления, к по меньшей мере одному компоненту модуля.
Существенным преимуществом соответствующего изобретению модуля является то, что однородное усилие сжатия для сжатия модуля может быть получено с очень небольшими затратами; достаточно заполнить полое тело и повысить его внутреннее давление. Создаваемое при этом давление является по меньшей мере приближенно однородным по всей площади поперечного сечения полого тела.
Является особенно экономичным, когда полое тело образовано пузырем или баллоном, размер которого зависит от давления. Полое тело предпочтительно является растяжимым и предпочтительно состоит из упругодеформируемого материала (например, пластика или резины); в качестве альтернативы, оболочка полого тела может также состоять из малорастяжимого или совсем нерастяжимого материала, такого как металлическая фольга.
С целью равномерного распределения усилия сжатия внутри модуля считается предпочтительным, если величина площади поперечного сечения полого тела - при наблюдении в поперечном сечении поперек продольного направления модуля - соответствует площади поперечного сечения компонента.
Для достижения двойной функции полого тела, а именно, с одной стороны, функции генерации усилия сжатия, а с другой стороны, функции подвески (упругого подвешивания), считается выгодным, если среда является сжимаемой. Предпочтительно среда представляет собой газ, в частности воздух. Другими словами, является предпочтительным, если полое тело образует газонаполненный амортизатор, который в качестве составной части зажимного устройства, зажимающего модуль, прикладывает силу упругости к по меньшей мере одному компоненту модуля.
Модуль может, например, иметь стопку компонентов, которая содержит два или более компонентов. При таком выполнении является предпочтительным, если полое тело образует составную часть зажимного устройства, которое сжимает стопку компонентов.
Если модуль имеет два или более полых тела, то является предпочтительным, если полые тела соединены друг с другом по давлению. Соединение по давлению, с одной стороны, упрощает заполнение полого тела; а с другой стороны, за счет соединения по давлению реализуется создание охватывающей модуль системы пружинного (упругого) зажима, которая зажимает модуль с упругим охватом.
Что касается расположения полых тел, считается предпочтительным, если по меньшей мере одно из полых тел расположено снаружи стопки компонентов и извне воздействует усилием сжатия на стопку компонентов. Предпочтительно расположенное снаружи стопки компонентов полое тело расположено в образующем опорную стенку вмещающем контейнере, который в направлении стопки компонентов имеет контейнерное отверстие, через которое полое тело воздействует своим усилием сжатия на стопку компонентов.
Особенно предпочтительным считается, если модуль имеет по меньшей мере два полых тела, а именно первое полое тело, которое расположено на первом конце стопки компонентов и прикладывает извне усилие сжатия к первому концу стопки, и второе полое тело, которое расположено на втором конце стопки компонентов и прикладывает извне усилие сжатия ко второму концу стопки.
В последнем варианте особенно предпочтительно, если первое расположенное снаружи стопки компонентов полое тело расположено в образующем первую опорную стенку первом вмещающем контейнере, который имеет обращенное к первому концу стопки компонентов контейнерное отверстие, через которое первое полое тело воздействует своим усилием сжатия на первый конец стопки компонентов, и второе расположенное снаружи стопки компонентов полое тело расположено в образующем вторую опорную стенку втором вмещающем контейнере, который имеет обращенное ко второму концу стопки компонентов контейнерное отверстие, через которое второе полое тело воздействует своим усилием сжатия на второй конец стопки компонентов.
С учетом оптимальной подвески компонентов стопки компонентов, в частности в случае внутреннего взрыва компонентов модуля, предпочтительным считается, если по меньшей мере одно из полых тел находится внутри стопки компонентов, сегментирует стопку компонентов с образованием сегментов стопки и воздействует усилием сжатия, зависимым от его внутреннего давления, на прилегающие к нему сегменты стопки.
В качестве компонентов стопка компонентов предпочтительно имеет полупроводниковые компоненты, в частности полупроводниковые переключающие элементы и/или выпрямительные элементы, радиаторы и/или соединительные электроды.
Изобретение также относится к способу зажима электрического модуля, имеющего по меньшей мере один компонент.
С учетом генерации по возможности однородного зажимного усилия считается предпочтительным, если по меньшей мере одно полое тело зажимного устройства модуля заполняется флюидом, пока полое тело прямо или косвенно не будет воздействовать заранее определенным минимальным сжимающим усилием на компонент.
Что касается преимуществ соответствующего изобретению способа, можно сослаться на приведенные выше сведения в связи с соответствующим изобретению модулем, так как преимущества соответствующего изобретению модуля, по существу, соответствуют таковым для соответствующего изобретению способа.
Изобретение далее поясняется более подробно на примерах выполнения, при этом на чертежах в качестве примера показано следующее:
фиг. 1 - пример выполнения электрического модуля, в котором зажимное устройство содержит два газонаполненных полых тела, причем на фиг. 1 полые тела показаны при среднем давлении газа,
фиг. 2 - электрический модуль согласно фиг.1, после того, как давление газа в полых телах было увеличено,
фиг. 3 - пример выполнения электрического модуля, в котором зажимное устройство имеет одно газонаполненное полое тело для сжатия модуля, причем фиг. 3 показывает полое тело при среднем давлении газа,
фиг. 4 - электрический модуль согласно фиг.3 после того, как давление газа в полом теле было увеличено,
фиг. 5 - пример выполнения электрического модуля, в котором зажимное устройство имеет два наружных газонаполненных полых тела, а также расположенное внутри газонаполненное полое тело, причем фиг. 5 показывает среднее давление газа трех полых тел,
фиг. 6 - электрический модуль согласно фиг.5 после того, как давление газа в трех полых телах было увеличено, и
фиг. 7 - поведение электрического модуля согласно фиг. 6 в случае электрической неисправности и взрыва, происходящего внутри модуля.
На чертежах, для ясности, для одинаковых или сопоставимых компонентов всегда используются одни и те же ссылочные позиции.
На фиг. 1 показан электрический модуль 10, который оснащен стопкой 20 компонентов. Стопка 20 компонентов состоит из множества компонентов, из которых на фиг. 1 полупроводниковые компоненты и радиаторы обозначены ссылочными позициями 21 и 22. Для сжатия компонентов стопки 20 компонентов электрический модуль 10 снабжен зажимным устройством 30, которое образует зажимную структуру.
Зажимное устройство 30 содержит первое растяжимое полое тело 40 и второе растяжимое полое тело 50. Оба растяжимых полых тела 40 и 50 могут быть образованы, например, пузырями или растяжимыми баллонами.
Первое, верхнее на фиг. 1, полое тело 40 удерживается в первом вмещающем контейнере 60, который неподвижно установлен и образует опорную стенку для полого тела 40. Первый вмещающий контейнер 60 имеет контейнерное отверстие 61, через которое полое тело 40 может прикладывать усилие сжатия к верхнему на фиг. 1 концу 20а стопки - далее по тексту первому концу стопки - стопки 20 компонентов.
Второе полое тело 50 находится во втором вмещающем контейнере 70, который также неподвижно установлен и образует опорную стенку для второго полого тела 50. Через контейнерное отверстие 71 вмещающего контейнера 70 второе полое тело 50 находится в соединении с нижним на фиг. 1 или вторым концом 20b стопки 20 компонентов.
Оба полых тела 40 и 50 через напорный трубопровод 80 связаны по давлению и могут через клапан 90 заполняться средой, например сжимаемой средой, такой как воздух. Оба полых тела 40 и 50, напорный трубопровод 80 и клапан 90 образуют газонепроницаемую наружу и - ввиду напорного трубопровода 80 - связанную по давлению систему 100 пружинного (упругого) зажима зажимного устройства 30 или электрического модуля 10.
Фиг. 1 показывает оба полых тела 40 и 50 при среднем давлении P1 газа, при котором оба полых тела 40 и 50, хотя и прилегают к обоим концам 20а и 20b стопки 20 компонентов, однако прикладывают лишь малое усилие сжатия F1 к стопке 20 компонентов.
Чтобы сжать стопку 20 компонентов или затянуть модуль 10, система 100 пружинного зажима заполняется газом через клапан 90, и внутреннее давление в обоих полых телах 40 и 50 повышается. За счет повышения внутреннего давления оба полых тела 40 и 50 растягиваются, как показано на фиг. 2. Очевидно, что оба полых тела 40 и 50 полностью заполняют соответствующие вмещающие контейнеры 60 и 70, и прижимное усилие на оба конца 20а и 20b стопки 20 компонентов значительно повышается. Усилие сжатия на обоих концах 20а и 20b стопки обозначено на фиг. 2 ссылочной позицией F2.
В связи с увеличением давления внутри обоих полых тел 40 и 50 создается зажимное усилие, с помощью которого компоненты стопки 20 компонентов сжимаются, и электрическое сопротивление контакта между компонентами стопки 20 компонентов уменьшается.
Фиг. 3 показывает пример выполнения электрического модуля 10, стопка 20 компонентов которого может соответствовать стопке компонентов электрического модуля 10 согласно фиг. 1 и 2. Соответственно, также стопка 20 компонентов согласно фиг. 3 содержит полупроводниковые компоненты 21 и радиаторы 22.
Для сжатия стопки 20 компонентов в электрическом модуле 10 предусмотрено зажимное устройство 30, которое содержит только одно растяжимое полое тело 40. Полое тело 40 удерживается в формирующем опорную стенку вмещающем контейнере 60, через контейнерное отверстие 61 которого полое тело 40 опирается на верхний на фиг. 3 конец 20а стопки 20 компонентов.
Второй, на фиг. 3 нижний, конец 20b стопки 20 компонентов опирается на неподвижную опорную стенку 110.
Фиг. 3 показывает электрический модуль 10 при среднем давлении газа внутри полого тела 40. Можно видеть, что полое тело 40, хотя и прилегает к первому концу 20а стопки 20 компонентов, однако прижимное усилие, создаваемое посредством полого тела 40, еще мало. Прижимное усилие или усилие сжатия на фиг. 3 обозначено ссылочной позицией F1.
Фиг. 4 показывает электрический модуль 10 после того, как давление газа внутри полого тела 40 было увеличено, так что полый корпус 40 полностью заполняет соответствующий вмещающий контейнер 60 и через контейнерное отверстие 61 прикладывает значительное усилие сжатия F2 к стопке 20 компонентов. Таким образом, справедливо
F2>>F1.
Путем заполнения полого корпуса 40 и создания усилия сжатия F2 компоненты стопки 20 компонентов сжимаются, так что электрическое сопротивление контакта между компонентами стопки 20 компонентов минимизируется.
Фиг. 5 показывает пример выполнения электрического модуля, в котором стопка 20 компонентов содержит множество полупроводниковых компонентов 21 и множество радиаторов 22. Для затяжки стопки 20 компонентов или для затяжки модуля 10 имеется зажимное устройство 30, которое имеет два внешних растяжимых полых тела 40 и 50, а также расположенное внутри стопки 20 компонентов полое тело 200. Оба внешних полых тела 40 и 50 удерживаются во вмещающих контейнерах 60 и 70, которые, соответственно, образуют опорную стенку для зажимного устройства 30. Полые тела 40 и 50, а также вмещающие контейнеры 60 и 70 могут соответствовать полым телам и вмещающим контейнерам согласно фиг.1 и 2, так что в этом отношении можно сослаться на вышеописанные варианты осуществления.
Оба полых тела 40 и 50, а также расположенное внутри полое тело 200 через напорный трубопровод 80 соединены по давлению друг с другом и могут заполняться газом через клапан 90. Три полых тела 40, 50 и 200, напорный трубопровод 80, а также клапан 90 образуют газонепроницаемую наружу и - ввиду напорного трубопровода 80 - связанную по давлению систему 100 пружинного зажима, с помощью которой стопка 20 компонентов может сжиматься или затягиваться.
Посредством внутреннего полого корпуса 200 стопка 20 компонентов разделяется на два сегмента 25 и 26 стопки. Сегменты 25 и 26 стопки могут быть электрически изолированы друг от друга посредством расположенного внутри полого корпуса 200. В качестве альтернативы, можно электрически соединить оба сегмента 25 и 26 стопки и предусмотреть для этого проводящие пластины, посредством которых выполняется электрическое соединение. Такие электрические пластины в качестве примера показаны на фиг. 5 и обозначены ссылочной позицией 300. Пластины 300 могут выполнять не только электрическую функцию для соединения сегментов 25 и 26 стопки, но и также образовывать боковое ограничение для полого тела 200, посредством которого предотвращается боковое растяжение полого тела 200 перпендикулярно продольному направлению стопки 20 компонентов в случае повышения давления.
Фиг. 5 показывает систему 100 пружинного зажима или три полых тела 40, 50 и 200 при среднем давлении Р1 газа, при котором стопка 20 компонентов стека 20 сжимается лишь с незначительным усилием сжатия F1.
Фиг. 6 показывает электрический модуль 10 согласно фиг. 5 после того, как за счет повышения давления Р2 внутри трех полых тел 40, 50 и 200 усилие сжатия, действующее на стопку 20 компонентов, было значительно увеличено. Повышенное усилие сжатия на фиг. 6 обозначено ссылочной позицией F2. Таким образом:
F2>>F1 и P2>>P1.
За счет увеличения давления внутри полых тел 40, 50 и 200 и за счет увеличения усилия сжатия, действующего на стопку 20 компонентов, компоненты стопки 20 компонентов сжимаются, так что сопротивление контакта между компонентами минимизируется.
Фиг. 7 показывает принцип работы или способ функционирования трех полых корпусов 40, 50 и 200 в случае выхода из строя одного или нескольких из компонентов стопки 20 компонентов и возникающего взрыва. Возникающая из-за взрыва волна давления, которая символически иллюстрируется на фиг. 7 с помощью давления Р3 и усилия сжатия F3, полностью или по меньшей мере частично поглощается посредством полых тел 40, 50 и 200, которые соединены друг с другом по давлению. Полые тела 40, 50 и 200 действуют как своего рода поглотители удара, за счет которых механические силы, действующие на остальные, невзорвавшиеся и еще работоспособные компоненты стопки 20 компонентов, смягчаются или уменьшаются. Таким образом, механическое разрушение остальных, не разорвавшихся компонентов стопки 20 компонентов может предпочтительным образом предотвращаться с помощью работающих в качестве газовой пружины полых тел 40, 50 и 200 системы 100 пружинного зажима, в то же время зажимная структура остается достаточно жесткой и не разжимается во время события неисправности или разжимается лишь незначительно.
Отсутствие формирования зазора означает также отсутствие образования электрической дуги. Таким образом, косвенный ущерб в значительной степени предотвращается.
Хотя изобретение подробно проиллюстрировано и описано с помощью предпочтительных примеров выполнения, однако изобретение не ограничено описанными примерами, и другие варианты могут быть получены на этой основе специалистом в данной области без отклонения от объема защиты изобретения.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
10 электрический модуль
20 стопка компонентов
20а первый конец стопки
20b второй конец стопки
21 полупроводниковый компонент
22 радиатор
25 сегмент стопки
26 сегмент стопки
30 зажимное устройство
40 первое полое тело
50 второе полое тело
60 первый вмещающий контейнер
61 контейнерное отверстие
70 второй вмещающий контейнер
71 контейнерное отверстие
80 напорный трубопровод
90 клапан
100 система пружинного зажима
110 опорная стенка
200 внутреннее полое тело
300 электрическая пластина
F1 усилие сжатия/прижимное усилие
F2 усилие сжатия/прижимное усилие
F3 усилие сжатия/прижимное усилие
Р1 давление газа
Р2 давление газа
Р3 давление газа