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CN106068683A - 具有夹紧装置的电气的模块 - Google Patents

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CN106068683A CN201480076718.7A CN201480076718A CN106068683A CN 106068683 A CN106068683 A CN 106068683A CN 201480076718 A CN201480076718 A CN 201480076718A CN 106068683 A CN106068683 A CN 106068683A
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Abstract

本发明涉及一种具有至少一个电气的元件(21、22)的电气的模块(10)。按照本发明规定，电气的模块(10)具有至少一个被填注了或能够填注介质、尤其流体的空心体(40、50、200)，空心体(40、50、200)在模块(10)的至少一个元件(21、22)上施加取决于空心体(40、50、200)内部的内压的压力。

Description

具有夹紧装置的电气的模块
本发明涉及一种具有电气的元件、尤其元件垛的电气的模块，其中构成有用于夹紧的夹紧力。
例如在多电平换流器领域已知具有元件垛的电气的模块。多电平换流器例如公开在文献“适用于大功率范围的创新模块化多电平变换器的拓扑结构，英语：An InnovationModular Multilevel Converter Topology Suitable for a Wide Power Range)”(AntonLesnciar和Rainer Marquardt，2003IEEE博洛尼亚电力技术会议，6月23-26日，意大利博洛尼亚)中。
为了对上下堆叠的元件或者对元件垛形成用于机械式夹紧所需的夹紧力，当前使用螺纹系统并结合盘形弹簧或者使机械力引入机械系统的其他弹簧元件。然而预紧力基本上是通过一个或者多个螺栓元件经压力件点负荷式地施加的，因此不是总能实现大面积式均匀分布的夹紧力。特别是对于很大的半导体元件来说就很难用已知的点负荷式的螺纹机构实现在整个半导体面上均匀的夹紧力分布。
据此，本发明要解决的技术问题在于，提供一种电气的模块，其中，可以用很低的耗费以及在模块面上均匀地构成用于夹紧模块的夹紧力。
按照本发明所述技术问题通过具有按照权利要求1的特征的电气的模块解决。按照本发明的模块的有利的设计方案在从属权利要求中得出。
按照本发明规定，电气的模块具有至少一个被填注了或能够填注介质、尤其流体的空心体，空心体在模块的至少一个元件上施加取决于空心体内部的内压的压力。
按照本发明的模块的一个根本上的优点在于，可以用很少的耗费构成用于夹紧模块的均匀的压力；对空心体进行填注就能提高其内压。由此构成的压力在空心体的整个横截面上至少近似为均匀的。
特别降低成本的是，通过随压力改变尺寸的气囊或者气球构成空心体。优选地，空心体可以膨胀和优选由可以弹性变形的材料(例如，塑料或者橡胶)构成；备选地，空心体的外皮也可以由较少地膨胀或者甚至不可膨胀材料构成，例如金属膜。
在模块内部使压力均匀分布方面有利的是，空心体的横截面的尺寸(在横向于模块纵向的横截面上看)相应于元件的横截面。
为了实现空心体的双重功能，即一方面构成压力的功能和另一方面减震的功能，所以有利的是，介质是可以压缩的。优选的是，介质是气体、尤其空气。换句话说有利的是，空心体构成气体压力弹簧，其作为使模块夹紧的夹紧装置的组成部分在模块的至少一个元件上施加弹簧力。
模块例如可以具有包含两个或者更多元件的元件垛。在这种设计方案的情况下有利的是，空心体构成使元件垛压在一起的夹紧装置的组成部分。
如果模块具有两个或者更多空心体，有利的就是，空心体在压力方面相互连接。压力方面的连接一方面简化空心体的填注，另一方面通过压力方面的连接构成覆盖模块的压力弹簧夹紧系统，其能够覆盖模块地、弹性地夹紧模块。
在空心体的布置方面有利的是，至少一个空心体布置在元件垛外并且从外部在元件垛上施加压力。有利的是，布置在元件垛外的空心体被布置在构成支座的容纳容器中，容纳容器在朝向元件垛的方向上具有容器开口，空心体通过容器开口在元件垛上施加压力。
特别有利的是，模块具有至少两个空心体，即第一空心体和第二空心体，其中，第一空心体布置在元件垛的第一垛端部上并且从外部在第一垛端部上施加压力，第二空心体布置在元件垛的第二垛端部上并且从外部在第二垛端部上施加压力。
对于最后所述的变型设计方案，特别有利的是，布置在元件垛外的第一空心体布置在构成第一支座的第一容纳容器中，第一容纳容器具有朝向元件垛的第一垛端部的容器开口，第一空心体通过容器开口在元件垛的第一垛端部上施加压力，布置在元件垛外的第二空心体布置在构成第二支座的第二容纳容器中，第二容纳容器具有朝向元件垛的第二垛端部的容器开口，第二空心体通过容器开口在元件垛的第二垛端部上施加压力。
在使元件垛的元件减震最优化方面，尤其在模块元件的内部爆炸情况中有利的是，至少一个空心体位于元件垛的内部，使元件垛在构成垛段的情况下分段并且在贴靠在该空心体上的垛段上施加与取决于内压的压力。
作为元件，元件垛优选地具有半导体元件、尤其半导体电路元件和/或整流器元件、冷却体和/或连接电极。
此外，本发明还涉及一种用于夹紧具有至少一个元件的电气的模块的方法。
在构成尽可能均匀的夹紧力方面有利的是，用流体灌注模块的夹紧装置的至少一个空心体，直到空心体间接地或者直接地在元件上施加预设的最小压力。
在按照本发明的方法的优点方面引用结合按照本发明的模块的上述实施方式，因为按照本发明的模块的优点基本相应于按照本发明的方法的优点。
下面根据实施例进一步阐述本发明；在此示例性地有
图1示出电气的模块的实施例，其中，夹紧装置包括两个填注气体的空心体，其中，在图1中示出中等气压下的空心体，
图2示出按照图1的、空心体内的气压被提高后的电气的模块，
图3示出电气的模块的实施例，其中，夹紧装置具有唯一一个填注气体的、用于夹紧模块的空心体，其中，图3示出中等气压下的空心体，
图4示出按照图3的、空心体内的气压被提高后的电气的模块，
图5示出电气的模块的实施例，其中，夹紧装置具有两个外部的填注气体的空心体以及额外的一个位于内部的填注气体的空心体，其中，图5示出中等气压下的三个空心体，
图6示出按照图5的、在三个空心体内的气压被提高后的电气的模块，
图7示出按照图6的电气的模块在电气故障和在模块内部出现爆炸的情况中的变化。
在附图中，为了清楚对相同和相似的组件始终使用一样的附图标记。
图1示出电气的模块10，电气的模块10配设有元件垛20。元件垛20由多个元件构成，其中在图1中以附图标记21和22标注半导体元件和冷却体。为了压合元件垛20的元件，电气的模块10配设夹紧装置30，夹紧装置30构成夹紧件。
夹紧装置30具有可膨胀的第一空心体40和可膨胀的第二空心体50。两个可膨胀的空心体40和50例如可以由气囊或者可膨胀气球构造。
在图1中上部的第一空心体40被保持在第一容纳容器60中，第一容纳容器60被位置不变地支承并且构成用于空心体40的支座。第一容纳容器60具有容器开口61，空心体40可以通过容器开口61在图1中的元件垛20的上部的垛端部20a(下文称为第一垛端部)上施加压力。
第二空心体50位于第二容纳容器70中，第二容纳容器70同样被位置不变地支承和构成用于第二空心体50的支座。第二空心体50通过容纳容器70的容器开口71与在图1中的元件垛20的下部的或者第二垛端部20b接触。
两个空心体40和50通过压力管路80在压力方面耦连并且可以通过阀门90填注介质、例如可压缩介质，如空气。两个空心体40和50、压力管路80和阀门90构成夹紧装置30或者电气的模块10的向外气密的(基于压力管路80)压力耦连的压力弹簧夹紧系统100。
图1示出在中等气压P1下的两个空心体40和50，在此压力下两个空心体40和50尽管贴放在元件垛20的两个垛端部20a和20b上，但是只在元件垛20上施加较小压力F1。
为了使元件垛20被压在一起或者为了夹紧模块10，通过阀门90用气体填注压力弹簧夹紧系统100并升高在两个空心体40和50中的内压。通过提高内压使两个空心体40和50膨胀，如图2所示。可以看到，两个空心体40和50完全充满所对应的容纳容器60和70并且明显提高向元件垛20的两个垛端部20a和20b的压紧力。在两个垛端部20a和20b上的压力在图2中以附图标记F2标示。
通过提高在两个空心体40和50内部的压力构成夹紧力，此夹紧力使元件垛20的元件夹在一起并且使元件垛20的元件之间的接触电阻被减小。
图3示出电气的模块10的一种实施例，其元件垛20可以相应于按照图1和图2的电气的模块10的元件垛。按照图3的元件垛20据此也具有半导体元件21和冷却体22。
为了夹紧元件垛20，对电气的模块10配设夹紧装置30，该夹紧装置30仅具有唯一的可膨胀空心体40。空心体40被保持在构成支座的容纳容器60中，空心体40通过容纳容器60的容器开口61贴放在图3中元件垛20的上部的垛端部20a上。
在图3中元件垛20的下部的第二垛端部20b贴放在位置不变的基座110上。
图3示出在空心体40内为中等压力时的电气的模块10。可以看到，空心体40尽管贴放在元件垛20的第一垛端部20a上，然而空心体40产生的压紧力还是很小。在图3中以附图标记F1标示此压紧力或者压力。
图4示出在空心体40中的气压被提高之后的电气的模块10，因此空心体40完全填满对应的容纳容器60并且通过容器开口61在元件垛20上施加明显的压力F2。即
F2>>F1。
通过填充空心体40和构成压力F2使元件垛20的元件被压在一起,使得在元件垛20的元件之间的接触电阻被减小。
图5示出电气的模块的一个实施例，其中，元件垛20具有多个半导体元件21以及多个冷却体22。为了夹紧元件垛20或者为了夹紧模块10存在有夹紧装置30，夹紧装置30具有两个外部的可膨胀空心体40和50以及在元件垛20内或者位于内部的空心体200。两个外部的空心体40和50被保持在容纳容器60和70中，容纳容器60和70分别构成用于夹紧装置30的支座。空心体40和50以及容纳容器60和70可以相应于按照图1和图2的空心体和容纳容器，因此在这方面参考前述实施方式。
两个空心体40和50以及位于内部的空心体200通过压力管路80在压力方面相互连接并且可以通过阀门90填注气体。三个空心体40、50和200、压力管路80以及阀门90构成向外气密的(基于压力管路80)压力耦连的压力弹簧夹紧系统100，借助其可以使元件垛20被压在一起或者夹紧。
通过位于内部的空心体200使元件垛20分成两个垛段25和26。垛段25和26可以通过位于内部的空心体200相互电绝缘。备选地可能的是，两个垛段25和26相互电连接并且为此提供导电的板件，借助该板件构成电连接。这种电气板件示例性地在图5中示出并且以附图标记300标示。通常，板件300实现用于连接垛段25和26的电气功能，而且此外也构成对于空心体200的侧向限制，由此阻止在压力提高的情况下空心体200的垂直于元件垛20的纵向的侧向膨胀。
图5示出在中等气压P1下的压力弹簧夹紧系统100或者三个空心体40、50和200，其中，仅通过很小的压力F1使元件垛20被压在一起。
图6示出按照图5的电气的模块10，其中，通过提高在三个空心体40、50和200中的压力P2使作用在元件垛20上的压力明显提高。提高的压力在图6中以附图标记F2标示。即
F2>>F1和P2>>P1。
通过提高在空心体40、50和200中的压力和通过提高在元件垛20上的压力使元件垛20的元件压在一起，因此使元件之间的接触电阻最小化。
图7示出在元件垛20的一个或者多个元件故障和出现爆炸的情况下，三个空心体40、50和200的工作方式或者作用方式。在图7中通过气压P3和压力F3表示的由于爆炸而出现的压力波被在压力方面相互连接的空心体40、50和200完全或者至少部分地吸收。空心体40、50和200起到所谓的震动吸收器的作用，由此缓冲或者减小作用在元件垛20的其余未爆炸和还能起作用的元件上的机械力。因此可以通过起气体压力弹簧作用的空心体40、50和200以有利的方式避免元件垛20的其余未爆炸和还能起作用的元件的机械性损坏，同时该夹紧件保持有足够的刚性并且在有故障时不会或者不明显分开。
不构成间隙也意味着不会构成电弧。尽可能避免了后续损坏。
虽然通过优选的实施例进一步示出和说明了本发明，但本发明并没有被所公开的实施例限制，技术人员可以不脱离本发明的保护范围由此得到其他变型方案。
附图标识列表
10 电气的模块
20 元件垛
20a 第一垛端部
20b 第二垛端部
21 半导体元件
22 冷却体
25 垛段
26 垛段
30 夹紧装置
40 第一空心体
50 第二空心体
60 第一容纳容器
61 容器开口
70 第二容纳容器
71 容器开口
80 压力管路
90 阀门
100 压力弹簧夹紧系统
110 基座
200 位于内部的空心体
300 电气板件
F1 压力/压紧力
F2 压力/压紧力
F3 压力/压紧力
P1 气压
P2 气压
P3 气压

Claims (14)

1.一种具有至少一个电气的元件(21、22)的电气的模块(10)，其特征在于，所述电气的模块(10)具有至少一个被填注了或能够填注介质、尤其流体的空心体(40、50、200)，所述空心体(40、50、200)在模块(10)的至少一个元件(21、22)上施加取决于所述空心体(40、50、200)内部的内压的压力。
2.按照权利要求1所述的模块(10)，其特征在于，所述空心体(40、50、200)通过随压力改变尺寸的气囊或气球构成。
3.按照前述权利要求之一所述的模块(10)，其特征在于，所述空心体(40、50、200)的横截面的尺寸在横向于模块(10)纵向的横截面上相应于元件的横截面。
4.按照前述权利要求之一所述的模块(10)，其特征在于，
-所述介质设计为可以压缩的气体、尤其空气。
-所述空心体(40、50、200)构成气体压力弹簧，其作为使所述模块(10)夹紧的夹紧装置(30)的组成部分在所述模块(10)的至少一个元件(21、22)上施加弹簧力。
5.按照前述权利要求之一所述的模块(10)，其特征在于，
-所述模块(10)具有至少一个包含两个或者更多元件(21、22)的元件垛(20)，并且
-所述空心体(40、50、200)构成使元件垛(20)压在一起的夹紧装置(30)的组成部分。
6.按照前述权利要求之一所述的模块(10)，其特征在于，所述模块(10)具有两个或者更多所述空心体(40、50、200)，所述空心体(40、50、200)在压力方面相互连接。
7.按照权利要求6所述的模块(10)，其特征在于，两个或者更多在压力方面相互连接的空心体(40、50、200)构成气密的压力弹簧夹紧系统(100)，其弹性地夹紧的所述模块(10)。
8.按照前述权利要求之一所述的模块(10)，其特征在于，所述模块(10)的至少一个空心体(40、50)或者空心体(40、50)的至少一个布置在所述元件垛(20)外并且从外部在所述元件垛(20)上施加压力。
9.按照权利要求8所述的模块(10)，其特征在于，布置在所述元件垛(20)外的空心体(40、50)被布置在构成支座的容纳容器(60、70)中，所述容纳容器(60、70)在朝向所述元件垛(20)的方向上具有容器开口(61、71)，所述空心体(40、50)通过所述容器开口(61、71)在所述元件垛(20)上施加压力。
10.按照前述权利要求之一所述的模块(10)，其特征在于，
-所述模块(10)具有第一空心体(40、50)，第一空心体(40、50)布置在元件垛(20)的第一垛端部(20a)上并且从外部在第一垛端部(20a)上施加压力，
-所述模块(10)具有第二空心体(40、50)，第二空心体(40、50)布置在元件垛(20)的第二垛端部(20b)上并且从外部在第二垛端部(20b)上施加压力。
11.按照权利要求10所述的模块(10)，其特征在于，
-布置在元件垛(20)外的第一空心体(40、50)布置在构成第一支座的第一容纳容器(60、70)中，第一容纳容器(60、70)具有朝向元件垛(20)的第一垛端部(20a)的容器开口(61、71)，第一空心体(40、50)通过所述容器开口(61、71)在元件垛(20)的第一垛端部(20a)上施加压力，
-布置在元件垛(20)外的第二空心体(40、50)布置在构成第二支座的第二容纳容器(60、70)中，第二容纳容器(60、70)具有朝向元件垛(20)的第二垛端部(20b)的容器开口(61、71)，第二空心体(40、50)通过所述容器开口(61、71)在元件垛(20)的第二垛端部(20b)上施加压力。
12.按照前述权利要求之一所述的模块(10)，其特征在于，所述模块(10)的至少一个空心体(40、50、200)或者空心体(40、50、200)的至少一个位于元件垛(20)的内部，使元件垛(20)在构成垛段的情况下分段并且在贴靠在该空心体上的垛段上施加取决于空心体内压的压力。
13.按照前述权利要求之一所述的模块(10)，其特征在于，所述元件垛(20)具有作为半导体元件(21)、尤其半导体电路元件和/或整流器元件、冷却体(22)和/或连接电极的元件。
14.一种用于夹紧具有至少一个元件(21、22)的电气的模块(10)的方法，其特征在于，用流体填充所述模块(10)的夹紧装置(30)的至少一个空心体(40、50、200)，直到所述空心体(40、50、200)间接地或者直接地在所述元件(21、22)上施加预设的最小压力。
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