半导体层叠单元用的按压构件的制作方法

本公开总体上涉及用于半导体层叠单元的按压构件。

背景技术

日本专利首次公布第2016-29693号公开了一种电力转换器，其配备有半导体层叠单元，该半导体层叠单元由冷却管道与半导体模块的层叠组成，冷却介质流过该冷却管道以冷却半导体模块。电力转换器还包括板簧，该板簧用于在半导体模块和冷却管道层叠的方向(以下将称为层叠方向)上机械地按压半导体层叠单元。

上述类型的电力转换器可以配备有维护冷却介质流通管道、冷却介质入口管道或冷却介质出口管道，该冷却介质出口管道安装于半导体层叠单元的布置有按压构件的一端。需要这种结构来减小按压构件的尺寸，以避免按压构件与上述管道的机械干涉。然而，这种尺寸减小会导致板簧的弹性变形或行程减小，这会引起按压半导体层叠单元的弹簧压力不足。若按压构件的可弹性变形部分的构造随着其尺寸的减小而改变，则可能导致按压构件的耐久性降低。

技术实现要素：

因此，本公开的目的在于提供一种半导体层叠单元用的按压构件，其设计成在不牺牲其所需量的弹性行程和耐久性的情况下避免与周边部件发生机械干涉。

根据本公开的一个方面，提供了一种按压构件，其由具有规定长度的板组成，用于按压半导体层叠单元，在该半导体层叠单元中，沿层叠方向层叠有多个半导体模块和多个冷却介质流路。冷却介质流路用于冷却半导体模块。按压构件包括：(a)成对的被支承部，支承构件与成对的该被支承部接触，且成对的该被支承部沿板的长度方向布置；(b)弹簧，该弹簧弯曲成凸状，并从支承构件与被支承部的接触点隆起，该弹簧与第一端部接触，上述第一端部是半导体层叠单元的在层叠方向上彼此相对的端部之一；以及(c)成对的载荷施加部，一对该载荷施加部沿板的长度方向布置在被支承部的外侧，并且能够承受机械载荷，以使弹簧弹性变形，从而使被支承部移位。至少一个载荷施加部具有切口，该切口通过将板的一部分切除而形成。

按压构件设计成具有载荷施加部，该载荷施加部在按压构件的长度方向上位于被支承部的外侧。至少一个载荷施加部形成有切口。因此，通过将周边构件放置在切口内，从而避免按压部件与周边构件发生物理干涉，其中，上述周边构件布置在半导体层叠单元的安装有按压构件的第一端部上或第一端部中。当按压构件安装在半导体层叠单元上时，载荷施加部承受机械载荷而使弹簧弹性变形，之后，从载荷施加部释放载荷，因此，载荷施加部不需要具有比始终施加有压力的弹簧和被支承部更高程度的耐久性。这使得载荷施加部能够具有切口而不会过度降低耐久性。因此，可以在不牺牲按压构件所需的弹性变形或行程以及耐久性的情况下，避免按压构件与周边构件之间的物理干涉。

因此，按压构件能够消除与周边构件的物理干涉，并实现其所需量的弹性行程和耐久性。

附图简述

通过下文给出的详细描述和优选实施例的附图将会更充分地理解本发明，然而，这不应理解为限制本发明的具体实施例，而应理解为仅是为了说明和理解。

在附图中：

图1是表示根据第一实施例的电力转换设备的示意图；

图2是在图1的电力转换设备中使用的按压构件的平面图；

图3是图2中的按压构件的侧视图；

图4(a)是表示第一实施例中按压构件上的应力分布的俯视图；

图4(b)是表示第六变形例中按压构件上的应力分布的俯视图；

图5(a)至图5(d)是表示在第一实施例中如何将按压构件安装于电力转换设备的示意图；

图6是表示第一变形例中的按压构件的平面图；

图7是表示第二变形例中的按压构件的平面图；

图8是表示第三变形例中的按压构件的平面图；

图9是演示在第三变形例中如何将按压构件安装于电力转换设备的示意图；

图10是表示第四变形例中的按压构件的平面图；

图11是表示第五变形例中的按压构件的平面图；

图12是表示根据第二实施例的电力转换设备的示意平面图；

图13是表示第二实施例中的按压构件的平面图；以及

图14是演示在第二实施例中如何将按压构件安装于电力转换设备的示意图。

具体实施方式

第一实施例

现参照附图，特别是图1至图5(d)，根据第一实施例设置有按压构件1。

如图1清楚所示，按压构件1由细长板10实现，并用于沿层叠方向y按压半导体层叠单元100。板10由具有规定长度的细长构件或条带制成。半导体层叠单元100由多个半导体模块110与多个冷却介质流路120的层叠制成。此处所说的层叠方向y是半导体模块110与冷却介质流路120彼此叠置的方向。

按压构件1包括成对的被支承部20、弹簧30以及成对载荷施加部40。

被支承部20形状设置为实现与支承构件140物理接触，并且沿板10的长度方向x布置或彼此对齐。

弹簧30在被支承部20之间弯曲成凸状，并从被支承部20与支承构件140的接触点隆起，从而使弹簧30在层叠方向y上与半导体层叠单元100的端部125物理接触。

载荷施加部40在板10的长度方向x上位于比被支承部20更向外的位置。载荷施加部40形状设置为能够被施加物理或机械载荷，以使弹簧30弹性变形，从而引起被支承部20在层叠方向y上移位或移动。

如图2所示，每个载荷施加部40具有切口41，该切口41通过切除板10的一部分而形成。至少一个载荷施加部40可以具有形成其中的切口41。

以下将详细描述本实施例中半导体层叠单元100用的按压构件1。

如图1所示，按压构件1用于沿层叠方向y按压半导体层叠单元100。半导体层叠单元100安装在壳体150内以构成电力转换设备500。半导体层叠单元100具有多个冷却介质管道121，多个该冷却介质管道121在层叠方向y上以彼此远离规定间隔的方式堆叠。每个冷却介质管道121呈扁平形状，并且具有形成其中的冷却介质流路120。连接管122配置在沿层叠方向y相邻布置的两个冷却介质管道121之间，并将相邻的冷却介质流路120之间连通。连接管道122能够在层叠方向y上变形。

半导体层叠单元100包括位于该半导体层叠单元100端部处的冷却管道123、124，该冷却管道123、124在层叠方向y上彼此相对。在以下讨论中，图1所示的向上方向将被称为第一方向y1，而与第一方向y1相反的向下方向也将被称为第二方向y2。冷却管道123在第一方向y1上位于半导体层叠单元100的最外端处，并且与冷却介质入口管道131及冷却介质出口管道13连接，其中，冷却介质输入上述冷却介质入口管道131，冷却介质从上述冷却介质出口管道13排出。冷却管道124在第二方向y2上位于半导体层叠单元100的最外端处，并与维护管道133连接。当需要维护半导体层叠单元100时，维护管道133用于将冷却介质排出或输入冷却介质流路120。维护管道133安装于冷却管道124在宽度方向、换言之为板10的长度方向x上的端部。在以下讨论中，图1所示的向右方向也将被称为方向x1，而与方向x1相反的向左方向也将被称为方向x2。维护管道133在第二方向y2上延伸。

如图1所示，每个半导体模块110配置在相邻的冷却介质管道121之间。换言之，半导体模块110与冷却介质管道121在层叠方向y上彼此交替地层叠。每个半导体模块110呈具有规定厚度的平板状，并且具有经由其厚度而彼此相对的主表面111、112。主表面111、112放置成与相邻的冷却介质管道121接触。

如图1清楚所示，按压构件1在第二方向y2上布置在半导体模块110与冷却介质管道121的层叠的外侧。如图3清楚所示，按压构件1包括板10和辅助板15。板10与辅助板15放置成彼此重叠。按压构件1由支承构件140承载或保持。板10具有两个被支承部20，支承构件140与这两个被支承部20接触。如图2清楚所示，被支承部20在长度方向x上彼此对齐，并且每个被支承部20延伸而在垂直于长度方向x的宽度方向z上具有长度。如图1所示，每个被支承部20朝向支承构件140弯曲成凸状，换言之，沿方向y2隆起。

如图1、图2和图3清楚所示，板10具有弹簧30，该弹簧30嵌入被支承部20之间。如图1所示，弹簧30弯曲而沿远离被支承部20的y1方向隆起成凸状，其中，支承构件140与上述被支承部20接触。弯曲的弹簧30具有顶点，在该顶点上形成有接触部31。接触部31接触压力施加板125，该压力施加板125形成半导体层叠单元100在层叠方向y上的端部。如从图3中可以看到，在本实施例中，接触部31由穿过彼此堆叠的板10与辅助板15的组合的厚度的构件组成。接触部31与未示出的凹部配合，该凹部形成于压力施加板125的表面。

如图2所示，弹簧30形成有成对的应力集中减小部32。应力集中减小部32通过将板10的部分切除而制成。例如，图4(b)所示的未配备有应力集中减小部32的按压构件1具有占据包括接触部31的按压构件1长度的中心区的较高应力区域，而与图4(b)的结构相比，图4(a)所示的本实施例的按压构件1具有被应力集中减小部32大幅扩展的较高应力区域，从而减轻或减小弹簧30上的应力集中。

如图1至图3所示，应力集中减小部32在板10的长度方向上位于被支承部20的外侧。在本公开中，“被支承部20在长度方向上的外侧”是指“更靠近面向方向x1的板10的长度的端部的一个被支承部20的外侧”和“更靠近面向方向x2的板10的长度的端部的另一个被支承部20的外侧”。“被支承部20在长度方向上的内侧”是指“比被支承部20更靠近接触部31”。

如图1清楚所示，每个载荷施加部40朝向半导体层叠单元100，即沿y1方向稍微弯曲或隆起成凸状。如图5(b)和5(c)所示，载荷施加部40形状设置为承受载荷(即，机械压力)p而使弹簧30弹性变形，从而使被支承部20移位。

如图2所示，每个载荷施加部40中形成有切口41，该切口41通过将板10的一部分切除而成。具体而言，切口41形成于板10的端部11a、11b，该端部11a、11b在板10的长度方向x上彼此相对。每个切口41具有内壁42，该内壁42俯视时大致呈u形。维护管道133部分地配置于切口41中的一个。切口41形成为具有比维护管道133的横截面更大的尺寸。内壁42放置成远离，换言之，不接触维护管道133。

如图2所示，按压构件1俯视时呈矩形条状。按压构件1相对于第一假想直线l1几何对称，上述第一假想直线l1限定为穿过按压构件1的长度中心xo，并沿垂直于长度方向x的方向z延伸。按压构件1还相对于第二假想直线l2几何对称，上述第二假想直线l2限定为穿过按压构件1的宽度中心zo，并与长度方向x平行地延伸。

以下将参照图5(a)至图5(d)，对如何组装按压构件1进行描述。

首先，如图5(a)所示，按压构件1从壳体150的图上方下降，其中，半导体层叠单元100已从图上方安装于上述壳体150中。具体而言，按压构件1配置在半导体层叠单元100与壳体150的内壁151之间。接着，如图2所示，按压构件1沿方向x1移动，直到维护管道133部分地放置于切口41中。在图5(a)所示的初始状态下，在层叠方向y上，壳体150的内壁151与每个被支承部20之间的间隔d选择为小于如图5(c)所示的支承构件140在层叠方向y上的长度t(即，每个支承构件140的顶端与壳体150的内壁151之间的最小距离)。接着，如图5(b)所示，载荷p施加到载荷施加部40而使弹簧30弹性变形，从而使被支承部20朝向半导体层叠单元100移动，即沿方向y1移动。具体而言，载荷p继续施加到载荷施加部40，直到壳体150的内壁151与图5(b)所示的每个被支承部20之间的间隔d变得大于图5(c)所示的支承构件140的长度t。

接下来，如图5(c)所示，支承构件140配置在各个被支承部20与壳体150的内壁151之间。之后，如图5(d)所示，载荷p从载荷施加部40释放，从而导致已弹性变形的弹簧30返回其初始状态，以将被支承部20放置成与支承构件140接触。之后，弹簧30中产生的反作用力用于在接触部31处沿方向y1按压压力施加板125，从而沿方向y1按压半导体层叠单元100。

本实施方式中的按压构件提供以下有益优点。

如上所述，按压构件1设计成具有载荷施加部40，该载荷施加部40在按压构件1的长度方向上位于被支承部20的外侧。每个载荷施加部40形成有切口41。因此，通过将从半导体叠层单元100的面对按压构件1的端部伸出的维护管道133放置在一个切口41内，从而避免按压构件1与维护管道133发生物理干涉。当按压构件1安装在半导体层叠单元100上时，载荷施加部40承受载荷p而使弹簧30弹性变形，之后，由载荷施加部40释放载荷p，因此，载荷施加部40不需要具有比始终施加有压力的弹簧30和被支承部20更高程度的耐久性。这使得载荷施加部40能够具有切口41而不会过度降低耐久性。因此，可以在不牺牲按压构件1所需的弹性变形或行程以及耐久性的情况下，避免按压构件1与维护管道133之间的物理干涉。

如上所述，切口41形成于板10的在长度方向x上彼此相对的端部11a、11b，因而要求按压构件1仅在长度方向x上稍微移动，直到当按压构件1安装于壳体150时，维护管道133位于切口41中。这有助于容易地制造电力转换设备500。

至少一个切口41形成为使得用作冷却介质流路的维护管133至少部分地布置在该切口41中，其中，上述冷却介质流路与半导体层叠单元100连接并供冷却介质流过。这实现了具有半导体层叠单元100的按压构件1的使用，其中，上述半导体层叠单元100配备有维护管道133。

支承构件140制成为与壳体150分离，但可以可选地与壳体150一体形成。例如，壳体150形状可设置成为具有内壁151，该内壁151包括支承构件140，并实现与被支承部20的机械接触。

如上所述，本实施方式中的板10设计成在沿长度方向x彼此相对的端部11a、11b中形成有切口41，然而，如图6所示，作为第一变形例，可以可选地形成为仅在端部11a中形成有切口41。

如上所述，弹簧30形状设置成具有应力集中减小部32，该应力集中减小部32通过将板10的一部分切除而形成，以减轻弹簧30上的应力集中，从而导致较高应力区域大幅扩展而减小弹簧30上的应力集中。这在不降低按压构件1的耐久性的情况下，实现了按压构件1所需的弹性行程。

如上所述，按压构件1具有相对于第一假想直线l1对称的构造，上述第一假想直线l1限定为穿过按压构件1的长度中心xo，并沿垂直于长度方向x的方向z延伸。按压构件1的构造还可形状设置成相对于第二假想直线l2对称，上述第二假想直线l2限定为穿过按压构件1的宽度中心zo，并与长度方向x平行地延伸。这使得按压构件1产生的弹簧载荷均匀，有利于增大弹簧载荷，并提高按压构件1在电力转换设备500中的生产效率或组装容易程度。

如图2所示，按压构件1的每个切口41的内壁42大致呈u形，然而，如图7所示，作为第二变形例，按压构件1可以可选地形成为具有呈c形的内壁420，该内壁420包括：露出按压构件1端部外侧的较窄的开口；以及在按压构件1的宽度方向z上延伸的较宽的凹部。切口41的构造能够增大在长度方向x上板10的端部11a、11b之间的间隔，因而在电力转换设备500中制造按压构件10时，便于将载荷施加到载荷施加部40。

如图2所示，切口41形成在板10长度上的端部11a、11b中，然而，如图8所示，作为第三变形例，板10可以替换地形成为在板10的角部中形成有切口410。具体而言，板10具有经由其宽度彼此相对的侧部13a、13b。一个切口410形成在板10的位于端部11a与侧部13b的相交部处的一个角部中。另一个切口410形成在板10的位于端部11b与侧部13a的相交部处的角部中。如图9所示，在电力转换设备500中，按压构件1的安装可以仅通过将按压构件1沿图中箭头所示的方向q放入壳体150来实现，如图8所示，使得维护管道133至少部分地配置于其中一个切口410。这提高了按压构件1在电力转换设备500中的可安装性。在第三变形例中，切口410形成在载荷施加部40中，但未形成在被支承部20和弹簧30中，因此确保了按压构件1所需程度的耐久性。

在第三变形例中，按压构件1也形成为相对于第1假想直线l1与第2假想直线l2的相交部即中心c几何点对称。这使得按压构件1产生的弹簧载荷的均匀，并且有助于增大弹簧载荷。按压构件1的构造使得能够在按压构件1绕中心c旋转180度的情况下将按压构件1安装在电力转换设备500中。这改进了按压构件1在电力转换设备500中的可安装性。

第三变形例具有形成在板10角部中的切口410，然而，如图10所示，作为第四变形例，可以可选地设计成具有切口411，该切口411形成于侧部13a、13b的在板10的宽度方向z上彼此相对的的部分。切口411形状设置成具有足够大的尺寸，以供维护管道133配置在该切口411中。每个切口411具有内壁，该内壁放置成远离维护管道133的周边。第四变形例提供了与第三变形例大致相同的有益优点。第四变形例具有比第三变形例尺寸更大的载荷施加部4，因而在电力转换设备500中制造按压构件1时，有助于将载荷施加到载荷施加部40，从而进一步提高按压构件1在电力转换设备500中的可安装性。

如图2所示，第一实施例配备有由弹簧30中的通孔形成的应力集中减小部32，然而，如图11所示，作为第五变形例，每个应力集中减小部32可以可选地由u形切口制成，该u形切口通过将板10的侧部13a、13b的一部分切除而形成。可以选择每个应力集中减小部32的尺寸和/或位置，以产生所需程度的弹簧30的耐久性。第五变形例也提供了与第一实施例大致相同的有益优点。

如图2所示，第一实施例的弹簧30配备有应力集中减小部32，然而，如图4(b)所示，作为第六变形例，可以可选地设计成不具有应力集中减小部32。除了应力集中减小部32之外，第六变形例提供了与第一实施例大致相同的有益优点。

在第一实施例和变形例中，按压构件1用于按压半导体层叠单元100，并能够消除与周边构件的物理干涉，且实现其所需量的行程和耐久性。

第二实施例

半导体层叠单元100具有第一端部(即，图1所示的下端部)和第二端部(即，图1所示的上端部)，上述第二端部在层叠方向y上与第一端部相对。如图1所示，第一实施例中的按压构件1安装在半导体层叠单元100的第一端部上，该第一端部在层叠方向y上与第二端部相对，其中，在上述第二端部处安装有冷却介质入口管道131和冷却介质出口管道132，而如图12所示，第二实施例中的按压构件1配置在半导体层叠单元100的第二端部上。压力施加板125安装在冷却管道123上，该冷却管道123形成半导体层叠单元100的第二端部。具体而言，按压构件1布置在压力施加板125上，其中，接触部31放置成与压力施加板125直接接触，从而沿第二方向y2按压半导体层叠单元100。

如图13所示，按压构件1形成为具有两个切口410：一个切口410形成于板10的角部，该角部是板10的端部11a与侧部13b的相交部，而第二个切口410形成在板10的端部11b与侧部13b的相交部的角部。按压构件1形成为相对于第一假想直线l1几何对称。当按压构件1安装在半导体层叠单元100上时，冷却介质入口管道131部分地配置在面对x2方向的其中一个切口410中，而冷却介质出口管道132部分地配置在面对方向x2的另一个切口410中。其他布置与第一实施例相同。与第一实施例中所采用的附图标记相同的附图标记指代相同的部分，在此省略其详细说明。

如图14所示，与第三变形例相同，在电力转换设备500中，按压构件1的安装可以仅通过将按压构件1沿图中箭头所示的方向q放入壳体150来实现，如图13所示，使得冷却介质入口管道131和冷却介质出口管道132部分地放置于切口410。这提高了按压构件1在电力转换设备500中的可安装性。切口410形成在载荷施加部40中，但未形成在被支承部20和弹簧30中，因此确保了按压构件1所需程度的耐久性。除了第一实施例中按压构件1的点对称设置之外，第二实施例提供了与第一实施例大致相同的有益优点。

虽然已根据优选实施例公开了本发明以更好地理解本发明，但应当认为，在不脱离本发明原理的范围内，本发明可以以各种方式实施。因此，本发明应理解为包括在不脱离所附的权利要求书所述的本发明原理的情况下能够实施的所示实施例的所有可能实施例和修改。例如，与第五变形例相同，第二实施方式中的应力集中减小部32也可以可选地实施为通过将板10的侧部13a、13b的一部分切除而形成切口。