Spannverband mit Druckstück

Die Erfindung betrifft einen Spannverband mit einer Anordnung mechanisch verspannter, stapelweise übereinander liegender Bauelemente, einer Spannvorrichtung zum Erzeugen mechanischer Druckkraft auf die Anordnung der Bauelemente sowie einem Druckstück zum Übertragen der mechanischen Druckkraft von der Spannvorrichtung auf die Anordnung.

Spannverbände dieser Art sind aus dem Stand der Technik be ^¬ kannt .

Die Druckschrift DE 10 2011 006 990 AI beschreibt einen Säu- lenspannverband, bei dem stapelweise übereinander angeordnete Leistungsdioden und Kühlkörper mittels als Druckplatten ausgebildeter Druckstücke und Spannschrauben miteinander mecha- nisch verspannt sind. Die mittels der Spannschrauben erzeugte Druckkraft wird dabei punktuell auf die Druckplatten übertra ^¬ gen. Dies führt bei dem bekannten Spannverband zu einer inho ^¬ mogenen Druckverteilung. Der im Bereich einer Mittelachse des Säulenspannverbandes erzeugte Druck ist wesentlich höher als der in dessen Randbereichen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Spannverband der obi ^¬ gen Art vorzuschlagen, bei dem die Übertragung der Druckkraft möglichst homogen ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Spannverband durch ein Druckstück gelöst, das einen Metallschaumstoff enthält.

Durch die Verwendung des Metallschaumstoffes, dessen Elasti- zitätseigenschaften gezielt kontrollierbar und durch entsprechende Herstellung beeinflussbar sind, kann eine relativ homogene Druckverteilung bei der Übertragung der Druckkraft auf die Anordnung der Bauteile erreicht werden. Dies ist von be- sonderer Bedeutung, falls die Bauelemente beispielsweise parallelgeschaltete Halbleiter-Chips sind, die eine relativ große Fläche aufweisen und zudem dünn und spröde sind.

Inhomogenitäten können in solchen Fällen zu einer Beschädi- gung der Bauelemente führen. Zudem ist hinsichtlich der Größe der zu verspannenden Bauteile das Druckstück beliebig skalierbar. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Spannverbandes ist demnach auf Bauelemente beliebiger Größe anwendbar. Durch die Verwendung des den Metallschaumstoff enthaltenden Druckstücks kann der zusätzliche Effekt einer Schwingungs ^¬ dämpfung der Anordnung erzielt werden. Im Vergleich zu einem Vollmaterial können die Dämpfungseigenschaften des Metallschaumstoffes um den Faktor 2-3 höher liegen. Dies kann ins- besondere bei Anwendungen in der Hochspannungstechnik (beispielsweise in der Hochspannungsgleichstromübertragung) vorteilhaft sein, wo durch hochfrequente Anregung die Bauelemente der Anordnung im Allgemeinen in Schwingungen versetzt und dadurch mechanisch beansprucht werden. Als Metallschaumstoff ist beispielsweise ein Schaum auf der Basis von Stahl, Aluminium oder Titanoxid denkbar. Der Metallschaumstoff kann mittels eines dem Fachmann bekannten pulvermetallurgischen Verfahrens hergestellt sein. Bei einem solchen Verfahren wird ein Metallpulver (zum Beispiel Alumi- nium) mit einem ein Gas abspaltenden Treibmittel (zum Beispiel Titanhydrid) gemischt. Das Pulvergemisch wird anschlie ^¬ ßend verdichtet und in einem Wärmebehandlungsprozess aufge ^¬ schäumt. Denkbar ist die Herstellung des Metallschaumstoffes mittels eines dem Fachmann ebenfalls bekannten schmelzmetal- lurgischen Verfahrens. Verfahren zur Herstellung eines Metallschaumstoffes sind beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2006 031 213 B3 beschrieben. Bei den bekannten Verfahren können die Anzahl und/oder die Größe von im Metallschaum entstehenden Poren sowie deren Größe und damit auch die Elasti- zitätseigenschaften des Metallschaumstoffes nahezu beliebig gewählt werden. Die Elastizitätseigenschaften können beispielsweise durch den Elastizitätsmodul gekennzeichnet beziehungsweise quantifi ^¬ ziert sein. Mit steigendem Volumenanteil von Poren sinkt dem- entsprechend der Elastizitätsmodul des Metallschaumstoffes und damit dessen Steifigkeit.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Druckstück eine Mehrzahl von Metallschaumstoffen mit un- terschiedlichen Elastizitätseigenschaften. Durch eine geeignete räumliche Anordnung der Metallschaumstoffe im Druckstück lässt sich die flächige Druckverteilung besonders gezielt steuern und an die jeweilige Anwendung anpassen. Ein geringer Elastizitätsmodul bedeutet in diesem Zusammenhang eine höhere Nachgiebigkeit des Metallschaumstoffes.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bilden die Metallschaumstoffe im Druckstück Teilbe ^¬ reiche aus, die derart angeordnet sind, dass die Steifigkeit der Teilbereiche bezogen auf eine Mittelachse der Anordnung von innen nach außen ansteigt. Mit dieser räumlichen Anordnung der Teilbereiche lässt sich eine besonders homogene Druckkraftübertragung erreichen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Anordnung wenigstens ein Halbleiterelement, wobei das Halbleiterelement parallel angeordnete Press-Pack- Halbleiter umfasst (siehe dazu beispielsweise die Druck ^¬ schrift EP 1 403 923 AI) . Damit setzt sich das Halbleiterele- ment aus nebeneinander angeordneten Halbleitermodulen zusammen. Die Halbleitermodule bilden eine Parallelschaltung von elektrischen Bauteilen. Beispielsweise kann es sich dabei um IGBT-Halbleiter, Dioden oder Thyristorelemente oder entsprechende zusammengesetzte, über eigene Gehäuse verfügende Modu- le handeln. Die Oberfläche solcher Halbleitermodule kann bei ^¬ spielsweise einen Durchmesser von 6 bis 9 mm aufweisen. Die zu verpressende Oberfläche der Bauteile kann zwischen 400 und 1000 cm ² betragen.

Zur Kühlung des Halbleiterelementes umfasst die Anordnung ferner vorteilhaft wenigstens eine Kühlplatte aus elektrisch leitfähigem Material, wobei die wenigstens eine Kühlplatte am Halbleiterelement anliegend angeordnet ist, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen dem Halbleiterelement und der Kühlplatte besteht. Die Kühlplatte dient zur Ableitung der im Halbleiterelement entstehenden Wärme. Diese Wärme entsteht insbesondere durch den elektrischen Durchlasswiderstand des Halbleiterelementes. Geeigneterweise besteht die Kühlplatte aus einem auch wärmeleitenden Material, bevorzugt einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 200 W/ (mK) , wie beispielsweise einem Metall oder einer Metalllegierung.

Die Anordnung kann auch mehrere übereinander angeordnete Halbleiterelemente umfassen, wobei jedem der Halbleiterele ^¬ mente wenigstens eine Kühlplatte zugeordnet ist und die Halb- leiterelemente eine elektrische Reihenschaltung ausbilden.

Besonders bevorzugt ist es, wenn jedem Halbleiterelement zwei Kühlplatten zugeordnet sind, die beidseitig des jeweiligen Halbleiterelementes angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Wärmeabfuhr zu beiden Seiten des Halbleiterelementes erfol ^¬ gen. Da die Kühlplatten aus elektrisch leitfähigem Material hergestellt sind, kann die elektrische Kontaktierung zwischen den Halbleiterelementen mittels der Kühlplatten hergestellt sein .

Zur weiteren Verbesserung der Homogenität der Druckkraftübertragung wird als besonders vorteilhaft angesehen, ein Gegen ^¬ druckstück vorzusehen, das dem Druckstück bezüglich der Anordnung der Bauelemente gegenüberliegend angeordnet ist. Das Gegendruckstück kann, muss jedoch nicht, gleich aufgebaut sein, wie das Druckstück. Insbesondere können beide kegelar- tig, kegelstumpfartig, trapezartig oder in jeder anderen ge ^¬ eigneten Form gebildet sein.

Ferner betrifft die Erfindung ein Submodul eines Umrichters mit wenigstens einer Reihenschaltung von Leistungshalbleiter- schalteinheiten, die jeweils einen ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiter mit gleicher Durchlassrichtung aufweisen und jeweils entgegen der besagten Durchlassrichtung leitfähig sind und einem dazu in einer Parallelschaltung angeordneten Energiespeicher. Ein Beispiel eines solchen Submoduls ist aus der DE 101 030 31 AI bekannt.

Ausgehend von dem bekannten Submodul ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Submodul der vorstehend genannten Art vor- zuschlagen, das möglichst wenig fehleranfällig ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein artgemäßes

Submodul gelöst, bei dem die Reihenschaltung der Leistungs- halbleiterschalteinheiten in einer zuvor beschriebenen Spann- Vorrichtung realisiert ist.

Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Druckstücks kann das Risiko einer Beschädigung und damit eines Fehlers der Halbleiter infolge inhomogener Druckverteilung vermindert werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von einem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläu ^¬ tert .

Figur 1 zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbei ^¬ spiels eines erfindungsgemäßen Spannverbandes in schematischer Darstellung. Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfin ^¬ dungsgemäßen Submoduls in schematischer Darstellung . In Figur 1 ist im Einzelnen eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Spannverbandes 1 dargestellt. Der Spannverband 1 umfasst eine Anordnung 2 von stapelweise über einander angeordneten Bauelementen 3, 4, 5, 6, 7, die miteinander mechanisch zu verspannen sind. Im in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Bauele ^¬ mente 4 und 6 Halbleiterelemente. Die Bauelemente 3, 5 und 7 sind Kühlplatten, die aus einem elektrisch und wärme- leitfähigen Material hergestellt sind. Zwischen den Bauele ^¬ menten 3 - 7 der Anordnung 2 besteht somit eine leitende Ver bindung, so dass die Bauelemente, und insbesondere die Halb ^¬ leitermodule 4, 6 eine elektrische Reihenschaltung ausbilden Die Bauelemente 3 - 7 der Anordnung 2 werden miteinander ver spannt, indem eine von einer in Figur 1 nicht dargestellten Spannvorrichtung erzeugte mechanische Kraft von beiden Stirn Seiten auf die Anordnung 2 ausgeübt wird. Die Spannvorrichtung kann beispielsweise in Form einer Gewindemechanik reali siert sein. Die Richtung der von der Spannvorrichtung erzeug ten mechanischen Kraft ist in Figur 1 mit den Bezugszeichen und 9 gekennzeichnet. Die Übertragung der mechanischen Kraft auf den Spannverband 1 erfolgt mittels eines Druckstückes 10 und eines Gegendruckstückes 11. In dem in Figur 1 dargestell ten Ausführungsbeispiel des Spannverbandes 1 weist der Spann verband 1 eine kreisförmige Grundfläche auf. Daher haben das Druck- bzw. das Gegendruckstück 10 bzw. 11 eine kegelstumpf- artige Form.

Das Druckstück 10 enthält Metallschaumstoffe, wobei die Me- tallschaumstoffe fünf Teilbereiche 12 - 16 ausbilden. Die Teilbereiche 12, 13, 14, 15 und 16 sind derart angeordnet, dass sie einander teilweise umschließen. Dabei wird der Teil bereich 12 vom Teilbereich 13 teilweise umschlossen, der Teilbereich 13 und Teilbereich 14 und entsprechend der Teil- bereich 15 vom Teilbereich 16. Jedem Teilbereich 12 - 16 ist ein Metallschaumstoff zugeordnet, wobei die Metallschaumstof fe sich insbesondere durch ihre Elastizitätsmodule unter- scheiden. Der Metallschaumstoff im Teilbereich 12 weist dabei den niedrigsten Elastizitätsmodul. Dies entspricht einem höchsten Gas-Gehalt beziehungsweise einer geringsten Steifig ^¬ keit aller Teilbereiche. Entsprechend steigt der Elastizi- tätsmodul der Metallschaumstoffe in den Teilbereichen 13 - 16 bezüglich einer Mittel- bzw. Symmetrieachse 17 des Spannverbandes von innen nach außen an.

Dem Druckstück 10 gegenüberliegend ist das Gegendruckstück 11 angeordnet. Das Gegendruckstück 11 ist spiegelbildlich dem Druckstück 10 gleichartig aufgebaut. Somit weist das Gegen ^¬ druckstück 11 Teilbereiche 18, 19, 20, 21, 22 auf, denen je ^¬ weils ein Metallschaumstoff zugeordnet ist. Die Teilbereiche 18 - 22 unterscheiden sich durch die in ihnen enthaltenen Me- tallschaumstoffe . Jeder der Metallschaumstoffe weist einen

Elastizitätsmodul auf, der entsprechend dem Druckstück 10 be ^¬ züglich der Achse 17 von innen nach außen ansteigenden Wert aufweist . In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä ^¬ ßen Submoduls 23 dargestellt. Das Submodul 23 ist zweipolig ausgebildet, wobei die Pole (der Klemmen) des Submoduls 23 in Figur 2 mit den Bezugszeichen 24 beziehungsweise 25 gekennzeichnet sind. Das Submodul 23 bildet einen Teil eines nicht grafisch in Figur 2 dargestellten Umrichters, wobei eine Mehrzahl von weiteren Submodulen 23, die zum Submodul 23 gleichartig aufgebaut sind, unter Ausbildung eines

Umrichterphasenzweiges in Reihe geschaltet sind. Das Submodul 23 weist eine Reihenschaltung von Leistungshalbleiterschalt- einheiten 26 auf, wobei jeder der beiden Leistungshalbleiter- schalteinheiten 26 aus einem Leistungshalbleiterschalter 27 und einer dazu gegensinnig parallel geschalteten Diode 28 besteht. Das Submodul 23 umfasst ferner einen Speicherkondensa ^¬ tor 29, der parallel zu der Reihenschaltung der Leistungs- halbleiterschalteinheiten 26 angeordnet ist. Die Reihenschal ^¬ tung der Leistungshalbleiterschalteinheiten 26 ist in Form eines in der Figur 1 dargestellten Spannverbandes 1 ausge ^¬ führt .

Bezugs zeichenliste

1 Spannverband

2 Anordnung von Bauelementen

3 - 7 Bauelement

8, 9 Pfeil

10 Druckstück

11 Gegendruckstück

12 - 16 Teilbereich

17 Mittelachse

18 - 22 Teilbereich

23 Submodul

24, 25 Klemme

26 Leistungshalbleiterschalteinheit 27 Leistungshalbleiterschalter

28 Diode

29 Energiespeicher