Spannverband sowie ein Submodul für einen Umrichter mit dem Spannverband

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.

Ein derartiger Spannverband ist aus der Druckschrift DE 10 2011 006 990 AI bereits bekannt. Dort ist ein Säulenspannver- band beschrieben, bei dem stapelweise übereinander angeordne ^¬ te Leistungsdioden und Kühlkörper mittels als Druckplatten ausgebildeter Druckstücke und Spannschrauben miteinander mechanisch verspannt sind. Die mittels der Spannschrauben erzeugte Druckkraft wird dabei punktuell auf die Druckplatten übertragen. Dies führt bei dem bekannten Spannverband zu ei ^¬ ner relativ inhomogenen Druckverteilung. Der im Bereich einer Mittelachse des Säulenspannverbandes erzeugte Druck ist we ^¬ sentlich 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 bei einem artgemäßen Spannverband erfin- dungsgemäß dadurch gelöst, dass dem Druckstück ein Druckverteilungskörper mit einer Zellstruktur zugeordnet ist, wobei die Zellstruktur durch aneinander anliegende Zellen mit Zellhohlräume begrenzenden, Druck übertragenden Zellwänden gebildet ist, wobei die Zellwände unterschiedliche Zellwandstärken und/oder die Zellhohlräume unterschiedliche Volumina aufwei ^¬ sen . Durch eine geeignete Wahl einer ortsabhängigen Anordnung der Zellwandstärken der Zellwände und/oder der Zellhohlräume der Zellen ist die Druckübertragung von der Spannvorrichtung auf die Anordnung der Bauelemente vorteilhaft derart gezielt be- einflussbar, dass eine relativ homogene Druckverteilung erreicht wird. Grundsätzlich ist dabei zu beachten, dass eine dichtere Anordnung der Zellwände, also kleinere Volumina der Zellen in gewissen Bereichen des Druckübertragungskörpers für eine verhältnismäßig starre Struktur des Druckverteilungskör- pers in diesen Bereichen sorgt. Entsprechend ist die Elasti ^¬ zität der Zellwände durch eine geeignete Wahl der Zellwand ^¬ stärke (Zellwanddicke) ebenfalls gezielt beeinflussbar. Da ^¬ durch ist insgesamt die Druckkraftübertragung mittels des Druckverteilungskörpers ortsabhängig gezielt steuerbar.

Dies ist von besonderer Bedeutung, falls die Bauelemente bei ^¬ spielsweise parallelgeschaltete Halbleiter-Chips sind, die eine relativ große Fläche aufweisen und zudem dünn und spröde sind. Inhomogenitäten können in solchen Fällen zu einer Be- Schädigung der Bauelemente führen. Zudem sind hinsichtlich der Größe der zu verspannenden Bauteile das Druckstück und der ihm zugeordnete Druckverteilungskörper beliebig skalierbar. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Spannverbandes ist demnach auf Bauelemente beliebiger Größe anwendbar.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich alle Zellwände quer zu einer Grundfläche des Druckverteilungs ^¬ körpers. Insbesondere ist es denkbar, dass sich die Zellwände parallel zueinander erstrecken. Beispielsweise können sich alle Zellwände im Wesentlichen, das heißt bis auf technisch nicht zu beherrschende Abweichungen, senkrecht zu der Grund ^¬ fläche des Druckverteilungskörpers bzw. des Spannverbandes erstrecken. Diese Ausführungsform hat den Vorteil des besonders einfachen und daher kostengünstigen Aufbaus. Die Her- Stellung kann beispielsweise mittels Strangpressen erfolgen.

Die Grundfläche des Druckverteilungskörpers wird hierbei als diejenige Fläche verstanden, die sich senkrecht zu der Rieh- tung der auf den Spannverband ausgeübten Druckkraft er ^¬ streckt .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich die Zellwände des Druckverteilungskörpers in allen drei Dimensionen. Dies bedeutet, dass die Zellwände jeweils in be ^¬ liebige Richtungen weisen. Dadurch ergeben sich besonders vielfältige Möglichkeiten für die Beeinflussung der Druckverteilung .

Gemäß einer Ausführungsform sind die Zellwände stückweise planear, das heißt die Zellen weisen die Form von Polyedern auf . Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bilden die Zellen eine mehrschichtige Zellstruktur. Dies bedeu ^¬ tet, dass die Zellen des Druckverteilungskörpers im Allgemei ^¬ nen in mehreren Schichten auch übereinander angeordnet sind. Es ist dabei denkbar, die Herstellung eines solchen Druckver- teilungskörpers mittels eines sogenannten 3D-Druckers durch ^¬ zuführen. Mittels eines aus mehreren Schichten gebildeten Druckverteilungskörpers ist eine besonders homogene Druckver ^¬ teilung möglich. Bevorzugt ist der Druckverteilungskörper aus einem Metall.

Grundsätzlich kann der Druckverteilungskörper jedoch aus jedem geeigneten Material oder Materialkombination gefertigt sein . Bevorzugt weist der Druckverteilungskörper eine konstante

Höhe auf. Dies erlaubt eine einfachere Fertigung und Dimen ^¬ sionierung des Spannverbandes.

Um den Druck auf die Bauelemente der Anordnung möglichst ho- mögen zu verteilen, kann die Zellwandstärke der Zellen bezüglich einer Mittelachse des Druckverteilungskörpers von innen nach außen zunehmen. Zumindest einige mittelachsennahe Zellen weisen dabei Zellwände mit kleinerer Zellwandstärke als Zell ^¬ wände von wenigstens einigen mittelachsenfernen Zellen. Es ist in diesem Zusammenhang zu erwähnen, dass eine einzelne Zelle im Allgemeinen mehrere Zellwände aufweist, wobei die Zellwände der Zelle im Allgemeinen unterschiedliche Zellwand ^¬ stärken aufweisen können. 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 wenigstens einen Halbleiterelementes umfasst die Anordnung ferner vorteilhaft wenigstens eine Kühlplatte aus elektrisch leitfähigem Material, wobei die wenigstens ei ^¬ ne Kühlplatte am Halbleiterelement anliegend angeordnet ist, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen dem Halbleiterele- ment und der Kühlplatte besteht. Die Kühlplatte dient zur Ab ^¬ leitung der im Halbleiterelement entstehenden Wärme. Diese Wärme entsteht insbesondere durch den elektrischen Durchlass ^¬ widerstand des Halbleiterelementes. Geeigneterweise besteht die Kühlplatte aus einem auch wärmeleitenden Material, bevor- zugt einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 200 W/ (mK) , wie beispielsweise einem Metall oder einer Metallle ^¬ gierung . 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 kegelartig, kegelstumpfartig, trapezartig oder in jeder anderen ge ^¬ eigneten Form gebildet sein. Dem Gegendruckstück ist vorteilhaft ein zweiter Druckverteilungskörper zugeordnet. Der zweite Druckverteilungskörper ist beispielsweise zum ersten

Druckverteilungskörper gleichartig aufgebaut.

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 vorzuschlagen, das möglichst wenig fehleranfällig ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein artgemäßes

Submodul gelöst, bei dem die Reihenschaltung der Leistungs- halbleiterschalteinheiten in einem zuvor beschriebenen Spannverband 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 eines in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemä ^¬ ßen Spannverbandes bzw. Submoduls näher erläutert.

Figur 1 zeigt in einer schematischen Seitendarstellung ein

Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spann ^¬ verbandes;

Figur 2 zeigt in einer schematischen Draufsicht ein Ausführungsbeispiel eines Druckverteilungskörpers des Spannverbandes aus Figur 1 ;

Figur 3 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Submoduls.

Im Einzelnen ist in Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Spannverbandes 1 in einer schematischen Seitenansicht darge ^¬ stellt. Der Spannverband 1 umfasst eine Anordnung 2 miteinan ^¬ der mechanisch verspannter und stapelweise übereinander liegender Bauelemente 3, 4, 5, 6, 7. Der Spannverband 1 umfasst ferner ein erstes Druckstück 8 und ein zweites Druckstück 9, wobei das zweite Druckstück 9 als ein Gegendruckstück zum ersten Druckstück 8 bezüglich der Anordnung 2 gegenüberliegend angeordnet ist. Mittels einer in Figur 1 nicht darge- stellten Spannvorrichtung wird eine Kraft auf die Druckstücke 8, 9 ausgeübt, die in Figur 1 durch Pfeile 10, 11 angedeutet ist. Die Druckkraft 10 bzw. die Gegendruckkraft 11 wird mit ^¬ tels der Druckstücke 8, 9 auf die Anordnung der Bauelemente 3 - 7 übertragen. Die Anordnung 2 der Bauelemente umfasst eine erste Kühlplatte 3 und eine zweite Kühlplatte 7, zwischen de ^¬ nen sich im in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel Halbleiterelemente 3 - 6 befinden. Im Rahmen der Erfindung kann die Anordnung 2 der Bauelemente jedoch ebenso eine be- liebige Anzahl von Kühlplatten und Halbleiterelementen aufweisen, die in einer beliebigen geeigneten Anordnung übereinanderliegend angeordnet sind. Zwischen dem ersten Druckstück 8 und der ersten Kühlplatte 3 ist ein erster Druckvertei ^¬ lungskörper 12 angeordnet, das dem ersten Druckstück 8 zuge- ordnet ist. Der erste Druckverteilungskörper 12 sorgt für eine homogene Verteilung der Druckkraft 10 auf die Anordnung 2 der Bauelemente. Die im Wesentlichen punktuell auf das Druck ^¬ stück 8 ausgeübte Kraft 10 kann demnach mittels des Druckver ^¬ teilungskörpers 12 relativ homogen auf die Anordnung 2 über- tragen werden. Dazu kann Druckverteilung mittels des Druckverteilungskörpers 12 gezielt beeinflusst werden, so dass sie in der sich zu einer durch eine strichpunktierte Linie 181 dargestellten Mittelachse des Spannverbandes senkrecht er ^¬ streckenden Ebene möglichst homogen verteilt ist.

Dementsprechend umfasst der Spannverband 1 einem dem ersten Druckverteilungskörper 12 gegenüberliegend angeordneten zweiten Druckverteilungskörper 13, der entsprechend dem Gegendruckstück 9 zugeordnet ist. Der erste Druckverteilungskörper 12 und der zweite Druckverteilungskörper 13 können gleichartig aufgebaut sein, können aber auch einen unterschiedlichen Aufbau aufweisen.

In Figur 2 ist eine Draufsicht des ersten Druckverteilungs- körpers 12 des Spannverbandes 1 aus Figur 1 schematisch dar ^¬ gestellt. In dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des ersten Druckverteilungskörpers 12 weist der erste Druck ^¬ verteilungskörper 12 eine Zellstruktur auf, wobei die Zell- struktur durch aneinander anliegende Zellen 14 gebildet ist. Jede Zelle 14 wird durch einen Zellhohlraum 15 begrenzende Zellwände 16, 17 gebildet. Zur Übersichtlichkeit sind in der Figur 2 lediglich zwei Zellen 14 der Zellstruktur des Druck- Verteilungskörpers 12 mit Bezugszeichen versehen. In dem in Figur 2 dargestellten Beispiel erstrecken sich die Zellwände 16, 17 der Zellen 14 senkrecht zu einer Grundebene des Druck ^¬ verteilungskörpers 12. Alle Zellwände 16, 17 der Zellen 14 erstrecken sich zudem parallel zueinander. Die Zellwände 16, 17 der Zellen 14 weisen im Allgemeinen unterschiedliche Zellwandstärken bzw. -dicken auf. Es ist aus der Figur erkennbar, dass die Zellwände 17 eine höhere Zellwandstärke aufweisen als die denselben Zellen 14 zugeordneten Zellwände 16. Durch eine gezielte Beeinflussung der Zellwandstärke der Zellwände 16, 17 kann die Nachgiebigkeit der entsprechenden Zellwände 16, 17 gezielt beeinflusst werden. Dadurch kann auch die Druckkraftübertragung in den entsprechenden Bereichen des Druckverteilungskörpers 12 bestimmt werden. Eine geeignete Wahl der Zellwandstärken der Zellwände 14 erlaubt demnach ei- ne homogene Verteilung der Druckkraft auf die Anordnung 2 der Bauelemente .

In dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des

Druckverteilungskörpers 12 nimmt die Zellwandstärke der Zel- len 14 von einem Mittelpunkt 18 des Druckverteilungskörpers 12 nach außen hin zu.

Insbesondere sind die Zellwände der Zellen in den Eckberei ^¬ chen des im dargestellten Ausführungsbeispiel quadratischen Druckverteilungkörpers 12 dicker als die Zellwände der Zellen im Bereich des Mittelpunktes 18.

Aus dem in Figur 2 dargestellten Beispiel des Druckvertei ^¬ lungskörpers 12 ist ersichtlich, dass, aufgrund der gewählten niedrigeren Steifigkeit der Zellwände im Bereich des Mittel ^¬ punktes 18, dort verhältnismäßig weniger Kraft übertragen wird, als in den Rand- bzw. Eckbereichen des Druckvertei ^¬ lungskörpers 12. Dies gleicht den Effekt aus, dass aufgrund der punktuellen Kraftübertragung auf das Druckstück im Bereich der Mittelachse 181 eine höhere Kraft auf das Druck ^¬ stück bzw. das Gegendruckstück ausgeübt wird. Die Wahl der Größe der Zellhohlräume 15 sowie der Zellwand ^¬ stärken kann beispielsweise anhand von Simulationen bestimmt werden und ist nicht auf das in Figur 2 dargestellte Beispiel beschränkt . In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä ^¬ ßen Submoduls 20 dargestellt. Das Submodul 20 ist zweipolig ausgebildet, wobei die Pole (der Klemmen) des Submoduls 20 in Figur 3 mit den Bezugszeichen 201 beziehungsweise 202 gekennzeichnet sind. Das Submodul 20 bildet einen Teil eines nicht grafisch in Figur 3 dargestellten Umrichters, wobei eine Mehrzahl von weiteren Submodulen 20, die zum Submodul 20 gleichartig aufgebaut sind, unter Ausbildung eines

Umrichterphasenzweiges in Reihe geschaltet sind. Das Submodul 20 weist eine Reihenschaltung von Leistungshalbleiterschalt- einheiten 21, 22 auf, wobei jeder der beiden Leistungshalb- leiterschalteinheiten 21 bzw. 22 einen Leistungshalbleiterschalter 23 bzw. 24 und eine dazu gegensinnig parallel geschaltete Diode 26 bzw. 27 umfasst. Das Submodul 20 umfasst ferner einen Speicherkondensator 25, der parallel zu der Rei- henschaltung der Leistungshalbleiterschalteinheiten 21, 22 angeordnet ist. Die Reihenschaltung der Leistungshalbleiter- schalteinheiten 21, 22 ist in Form eines in den Figuren 1 und 2 dargestellten Spannverbandes 1 ausgeführt.

Bezugs Zeichentabelle

1 Spannverband

2 Anordnung der Bauelemente

3, 7 Kühlplatte

4, 5, 6 Halbleiter-Bauelemente

8 erstes Druckstück

9 Gegendruckstück

10, 11 Druckkraft

12 erster Druckverteilungkörper

13 zweiter Druckverteilungkörper

14 Zelle

15 Zellhohlraum

16, 17 Zellwand

18 Mittelpunkt des Druckverteilungskörpers

181 Mittelachsenlinie

20 Submodul

201, 202 Klemme

21, 22 Leistungshalbleiterschalteinheit

23, 24 Leistungshalbleiter

25 Energiespeicher

26, 27 Diode