一种硅整流元件用压力夹具的制作方法

本实用新型涉及一种硅整流元件用压力夹具，一般与大功率半导体器件（二极管或晶闸管等）配套使用，可应用于电力电子变频、整流电路、逆变电路、无触点开关等场合使用。

背景技术：

进入21世纪，电力电子应用在新能源、直流特高压输变电、无人驾驶等各行各业中。大功率硅整流元件是电力电子核心器件之一，在轨道交通、航空航天、风力发电、国防工业等战略性产业广泛应用。特别是在磁浮列车，车载，舰船，空天发射等军事工业领域，对整流器提出了更高的要求，包括高电压、大电流、高可靠性、环境适应性强、高导热、高绝缘、体积小等。

传统整流装置硅元件工作时散热方式主要为两种：即风冷和水冷，风冷是将散热器和硅元件进行单面或双面接触连接，通过空气自然或强迫对流冷却。水冷是将散热器和连接排与硅元件双面接触连接，通过纯水冷却器循环与冷媒进行热交换。这种冷却方式仅适用于整流电压≤2000vdc场合。

随着硅整流元件应用越来越广泛，在一些特种变流装置应用领域，要求装置输入电压等级高（母线电压达20kvdc）、输出电流大（单相交流输出电流达15ka），高导热散热，高绝缘阻值，体积小等。为了满足条件，选型硅整流元件功率等级随之加大，元件体积也跟着增加，传统整流装置散热方式越来越不能满足需求，必须要寻找一种能满足以上特种条件散热及绝缘器件。

现在国内及国际高端应用领域普遍采用一种大尺寸高导热陶瓷件作为绝缘散热板，该陶瓷件分为两种类型，一种为氧化铍陶瓷，另一种为氮化铝陶瓷，这两种陶瓷各有优缺点。氧化铍导热系数优于氮化铝，且氧化铍有一定毒性，在行业应用相对较少；氮化铝强度优于氧化铍，理论热导率达到320w/m·k，一般选型氮化铝作为介质应用较广。

氮化铝陶瓷具有高绝缘和高导热特性，能满足特殊工况需求。但整个硅元件压装单元有两个致命缺陷：1.由于散热器材质为陶瓷，陶瓷先天特性是强度比较低，如果压接面受力不均很容易破裂；2.随着硅整流元件尺寸增加，安装力fm会越来越大，7英寸硅元件安装力甚至接近200kn，如此大的安装力fm对于瓷片来说破损的风险非常高。

硅整流元件正常工作必须满足安装力fm要求，不同尺寸的整流元件安装力不同，元件尺寸越大，所承受的安装力也越大，现在国内外7英寸硅整流元件安装力fm接近200kn。随着安装压力的不断加大，安装在整流单元内的陶瓷件破损的风险也随之升高。

常规硅整流元件用安装夹具包括：一件板簧压板，一件水平压板，一件压力支撑块，2件压块附件组成，经相关压力试验，陶瓷散热件厚度14mm，直径130mm，各压接面平面度0.02mm，压力接触面尺寸为50mm×72mm，夹具施加90kn压力，经高低温升降循环试验，氮化铝陶瓷片陆续出线裂纹或破裂。分析瓷片破损原因有两点：1.瓷片自身强度不够；2.瓷片受压连接面受压强不均造成。

在研制使用陶瓷散热片期间，瓷片抗压能力一直上不去，经常压力超过90kn就会破损，瓷片破损问题一直没有得到解决。后经过大量试验及专家组攻关，终于发现硅整流压接单元水平压板外形是造成瓷片破损的直接原因。原压力夹具存在压接面受力不均，瓷片正反两面中间受力大，四周受力小，从而导致瓷片破损。

技术实现要素：

本实用新型其目的就在于提供一种硅整流元件用压力夹具，该夹具能减少作用在压装单元内散热陶瓷件等器件的压强，实现硅整流装置等高电压、大电流、高导热、高绝缘、高可靠、小型化的需求。硅元件压接单元内各器件每个面所承受的径向压力均衡，免除由于夹具局部压力不均造成压接单元内器件损坏。

为实现上述目的而采取的技术方案是，一种硅整流元件用压力夹具，包括1件板簧压板，1件水平压板，1件压力支撑块，2件压块附件，所述水平压板与散热陶瓷片和硅整流元件接触面一侧设有凸台，水平压板的另一侧设有弧形背，所述凸台长度为72mm、宽度为80mm、高度为4mm，所述水平压板的厚度为59mm。

有益效果

与现有技术相比本实用新型具有以下优点。

1)水平压板选材为高品质en-aw-6082t6铝合金，能长期承受180kn压力，变形量控制在≤1mm，变形系数线性稳定，夹具耐高低温且变形系数小，产品制作工艺稳定；

2)增加水平压板压接面宽度，增大受压力面接触面积，依据压强=压力÷受力面积，在硅整流元件连接面压力不变情况下，增大了压力受力面积，减少瓷片受压力面压强；

3)增加水平压板宽度，提高整个压力夹具强度，减少压力夹具受压力后变形量对瓷片的影响；

4)将压力夹具背部改为弧线造型，提高整个压力夹具抗弯强度，增加压板在减少压力夹具受力后变形量对瓷片的影响；

附图说明

以下结合附图对本实用新型作进一步详述。

图1为本实用新型的外形及安装示意图1；

图2为本实用新型的外形及安装示意图2；

图3为本实用新型中水平压板的结构视图1；

图4为本实用新型中水平压板的结构视图2。

具体实施方式

一种硅整流元件用压力夹具，包括1件板簧压板1，1件水平压板2，1件压力支撑块3，2件压块附件4，如图2－4所示，所述水平压板2与散热陶瓷片和硅整流元件接触面一侧设有凸台5，水平压板2的另一侧设有弧形背6，所述凸台5长度为72mm、宽度为80mm、高度为4mm，所述水平压板2的厚度为59mm。

所述水平压板2为en-aw-6082t6铝合金。

常规硅整流元件用安装夹具不能满足特殊工况需求。针对项目实际情况，在设计上做了如下改良：水平压板重新设计制作，将水平压板压力接触面尺寸从50mm×72mm改为80mm×72mm，将原夹具宽度从50mm改为80mm，将夹具背面改为弧形设计。改良后夹具经压力均衡试验测评，压力均衡度比之前有明显改善。同等安装条件下，经高低温升降循环试验，陶瓷件能承受极限180kn压力不破损。如图1、2所示。

据此可以判定：施加在导热陶瓷片连接面上的压强大小是决定瓷片破损的根本原因，改进措施是从不同角度减少施加在瓷片连接面上的压强。

新（改良后）硅整流元件用压力安装夹具适用于压装单元内有陶瓷等强度不够场合。经原理样机及实际工程现场应用，完全能满足特定工况需求，改良方案取得圆满成功。

技术特征：

1.一种硅整流元件用压力夹具，包括1件板簧压板（1），1件水平压板（2），1件压力支撑块（3），2件压块附件（4），其特征在于，所述水平压板（2）与散热陶瓷片和硅整流元件接触面一侧设有凸台（5），水平压板（2）的另一侧设有弧形背（6），所述凸台（5）长度为72mm、宽度为80mm、高度为4mm，所述水平压板（2）的厚度为59mm。

2.根据权利要求1所述的一种硅整流元件用压力夹具，其特征在于，所述水平压板（2）为en-aw-6082t6铝合金。

技术总结
一种硅整流元件用压力夹具，包括1件板簧压板，1件水平压板，1件压力支撑块，2件压块附件，所述水平压板与散热陶瓷片和硅整流元件接触面一侧设有凸台，水平压板的另一侧设有弧形背，所述凸台长度为72mm、宽度为80mm、高度为4mm，所述水平压板的厚度为59mm。该夹具能减少作用在压装单元内散热陶瓷件等器件的压强，实现硅整流装置等高电压、大电流、高导热、高绝缘、高可靠、小型化的需求。硅元件压接单元内各器件每个面所承受的径向压力均衡，免除由于夹具局部压力不均造成压接单元内器件损坏。

技术研发人员：陈是亭;徐斌;郑伟伟;翁玲瑜;陈勇
受保护的技术使用者：九江赛晶科技股份有限公司
技术研发日：2020.11.09
技术公布日：2021.06.11