一种平板式IGBT功率模块压装装置及压装方法

摘要

本发明公开了一种平板式IGBT功率模块压装装置，包括由立柱和上下悬臂组成的水冷支撑底座，所述的立柱上设置有冷却水路、主水路进口及分水路接口，上下悬臂分别相对设置有限位圆环，立柱上开设有限位槽，限位槽内同轴滑动安装有上下两个应力分散锥，下应力分散锥锥部与下悬臂抵靠，上应力分散锥锥部与上悬臂的限位圆环之间安装有碟簧组件，碟形弹簧组件分别与下应力分散锥和水冷支撑底座夹紧固定；还公开了其压装方法；本发明压装得到的IGBT功率模块集成度高，能量密度大，压装方式简便，冷却效率高，可靠性高，外形美观，宜于市场推广。

说明书

技术领域

本发明属于大功率电力推进装置制造技术领域，具体涉及一种用于平板式大功率半导体器件IGBT的功率模块压装装置，以及其压装方法。

背景技术

IGBT是一种高效、高可靠性的电力半导体器件，是构成电力电子变换系统主回路的主要器件，在电力电子领域有着广泛的应用。为提高功率循环、降低结温和器件堆叠效率，大功率IGBT器件通常采用压装式外形结构形式。电流导通时，压装式功率器件必须在其阳极和阴极表面施加一定范围值的外力才能正常工作。

常用半导体平板式IGBT（Press-pack IGBT）模块压装方式是采用压力机给压装式功率模块组件施加压力，再通过扭力扳手对四根螺杆进行整体固定的形式进行压装。

由于各个螺杆拧紧力的差异影响，该方式会使模块向一个不可预知的方向倾斜和平移，从而影响了压装结构的稳定性。

同时拧紧时还需要多个人保持同步操作，拧紧角度也很难保证一致。

发明内容

针对现有技术的以上不足，本发明的目的之一是提出一种平板式IGBT功率模块压装装置，通过水冷支撑底座代替四根螺杆固定方式完成压装力的轴向均匀分布和固定，能有效降低装配人员的操作强度和提高压装器件的平行度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种平板式IGBT功率模块压装装置，包括由立柱和上下悬臂组成的水冷支撑底座，所述的立柱上设置有冷却水路、主水路进口及用于连接各水冷散热器的分水路接口，所述的上下悬臂分别相对设置有限位圆环，所述的立柱上开设有限位槽，所述的限位槽内同轴滑动安装有上应力分散锥和下应力分散锥，下应力分散锥锥部与下悬臂的限位圆环抵靠，上应力分散锥锥部与上悬臂的限位圆环之间安装有碟簧组件，碟形弹簧组件分别与上应力分散锥和水冷支撑底座夹紧固定。

所述的一种平板式IGBT功率模块压装装置，其碟簧组件通过半圆球结构的前端部与上应力分散锥锥部的半球形凹槽配合安装。

所述的一种平板式IGBT功率模块压装装置，其下悬臂通过圆形限位圆环与下应力分散锥锥部的圆柱状凸块配合安装，圆形凹槽与圆柱状凸块形状一致，保证上应力分散锥和下应力分散锥仅能在轴向方向移动。

所述的一种平板式IGBT功率模块压装装置，其碟簧组件通过叉形结构件活动连接在水冷支撑底座上。

本发明的目的之二是提出一种使用上述平板式IGBT功率模块压装装置压装IGBT功率模块的方法，包括如下步骤：

步骤1，根据所要压装的IGBT功率模块正常工作时所需要的压装力，选定碟形弹簧规格、数量和弹性行程满足要求的碟簧组件，安装于水冷支撑底座的上悬臂限位圆环结构内，压装力上紧后通过螺钉紧固；

步骤2，将上应力分散锥、下应力分散锥与碟簧组件同轴安装在上下悬臂之间；

步骤3，通过压力机将碟簧组件的簧片压到需要的压力值，通过拧紧螺母和垫片固定已压缩的簧片，此时压装所需要的压装力就储存在碟簧组件中；

步骤4，将平板式IGBT器件和IGBT驱动模块组装成IGBT功率组件，然后将多个IGBT功率组件与双面水冷板散热器交替叠放组合为功率模块串联组件，在上下两侧分别放置上环氧绝缘板和下环氧绝缘板支撑固定，最后串联在上应力分散锥和下应力分散锥之间并保持在同一轴心高度上；

步骤5，将主体部分定位到上应力分散锥和下应力分散锥内通过轴向推压碟簧组件将功率模块串联组件慢慢压紧，直至达到碟簧组件预先内储存的压装力，此时整个结构压力保持平衡，轴向力为IGBT所需的压装力，碟簧组件保持平衡状态，预先拧紧的垫片此时刚好出现松动，压装完成。

进一步，压装完成后通过水管连接双面水冷板散热器与立柱上的分水路接口，通过主水路进口向冷却水路引入对外主水路的供水，测试功率模块的水冷性能。

所述的一种平板式IGBT功率模块压装方法，其上环氧绝缘板和下环氧绝缘板通过两侧压装面上设置的限位槽对双面水冷板散热器和上应力分散锥、下应力分散锥径向定位。

所述的一种平板式IGBT功率模块压装方法，其上环氧绝缘板和下环氧绝缘板分别通过环氧绝缘板上固定支架和环氧绝缘板下固定支架固定在立柱上。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：

1，本发明主要针对电力电子系统的以全控型平板式IGBT器件为核心部件的换流装置或断路器，应用范围广，适用性强；

2，本发明的水冷支撑底座在集成进出水路的同时，起到了与碟簧与上应力分散锥、下应力分散锥限位的效果，结构整体集成度高，装配简便，便于维修；

3，本发明提出的锥形上应力分散锥、下应力分散锥和碟簧组件配合设计，能有效地将压装力在双面水冷板与IGBT压装面上均匀分散，压力的长期保持和形变适应，确保IGBT器件在通流状态下的稳定运行和有效散热；

4，本发明提出的绝缘槽与绝缘底座的起到了对功率模块的限位和支撑作用，可以满足功率模块电气绝缘和压装强度要求，实现了紧凑化绝缘设计；

5，本发明提出的压装器件串联组合的布置形式，可以实现平板式IGBT器件和双面水冷板的多级串联，使结构适用于不同电路拓扑的要求；

6，本发明具有集成度高、压装力稳定、压力分布均匀、操作简便、便于维修等优点，并能够配合各类主回路对于不同数量的平板式IGBT器件需求。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是本发明主视图的剖视图；

图3是本发明水冷支撑底座的结构示意图

图4是本发明上应力分散锥的示意图；

图5是本发明下应力分散锥的示意图；

图6是本发明应力分散锥的压力分散原理示意图；

图7是本发明的IGBT功率组件示意图。

各附图标记为：1—水冷支撑底座，2—转动插销，3—环氧绝缘板上固定支架，4—IGBT水冷接头，5—双面水冷板散热器，6—上环氧绝缘板，7—底座水冷接头，8—下环氧绝缘板，9—环氧绝缘板下固定支架，10—上应力分散锥，11—IGBT功率组件，12—下应力分散锥，13—碟簧组件，14—叉形结构件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1至图3所示，本发明对于传统压装式结构存在的问题，提出了一种压力分布均匀，集成度高且便于操作的一种平板式IGBT功率模块压装装置，以水冷支撑底座1为主要支撑固定载体，通过置于底座顶端的碟簧组件13，上应力分散锥10、下应力分散锥12和压装主体部分实现功率器件的压装。

水冷支撑底座1由立柱和上下悬臂组成，上悬臂设置有用于压装固定的安装孔，所述的立柱上设置有冷却水路、主水路进口及用于连接各水冷散热器的分水路接口，上悬臂上设置有转动插销2，所述的上下悬臂分别相对设置有限位圆环，所述的立柱上开设有限位槽，所述的限位槽内同轴滑动安装有上应力分散锥10和下应力分散锥12，位于下应力分散锥12锥部与下悬臂抵靠，上应力分散锥10锥部与上悬臂限位圆环之间安装有碟簧组件13，碟形弹簧组件12分别与上应力分散锥10和水冷支撑底座1夹紧固定。其中碟簧组件13通过叉形结构件14活动连接在立柱和上悬臂的结合处。

所述的碟簧组件13通过半圆球结构的前端部与上应力分散锥10锥部的半球形凹槽配合安装，所述的下悬臂通过圆形限位圆环与下应力分散锥12锥部的圆柱状凸块配合安装，圆形凹槽与圆柱状凸块形状一致，保证上应力分散锥10仅能在轴向方向移动。

本发明的工作原理：

水冷支撑底座1的顶部（碟簧组件13侧）为压装施力端，水冷支撑底座1的底部为受力端，碟簧组件13的半圆球与上应力分散锥10构成球面副，下应力分散锥12与水冷支撑底座1构成移动副，在压力分撒装置之间同轴串联安装IGBT功率器件、双面水冷板散热器5与上环氧绝缘板6、下环氧绝缘板8。当平板式IGBT器件受到压装力时碟簧组件13可在水冷支撑底座1的圆槽内轴向移动。

所述的IGBT器件说明其需在均匀的压力面下才能正常工作，本发明采用锥形的上应力分散锥10和下应力分散锥12，并设计了如图4、图5所示的两端上应力分散锥10和下应力分散锥12，压力分散原理如图6所示。

本发明压装装置对平板式IGBT功率模块进行压装时包括如下步骤：

步骤1，根据所要压装的IGBT功率模块正常工作时所需要的压装力，选定碟形弹簧规格、数量和弹性行程满足要求的碟簧组件13，安装于水冷支撑底座1的上悬臂限位圆环结构内，压装力上紧后通过螺钉紧固。

步骤2，将上应力分散锥10和下应力分散锥12与碟簧组件13同轴安装在上下悬臂之间。

步骤3，通过压力机将碟簧组件13的簧片压到需要的压力值，通过拧紧螺母和垫片固定已压缩的簧片，此时压装所需要的压装力就储存在碟簧组件13中。

步骤4，将平板式IGBT器件和IGBT驱动模块组装成IGBT功率组件11，然后将多个IGBT功率组件11与双面水冷板散热器5交替叠放组合为功率模块串联组件，在上下两侧分别放置上环氧绝缘板6和下环氧绝缘板8支撑固定，最后串联在上应力分散锥10和下应力分散锥12之间并保持在同一轴心高度上，上环氧绝缘板6和下环氧绝缘板8通过两侧压装面上设置的限位槽对双面水冷板散热器5和上应力分散锥10径向定位，而且上环氧绝缘板6和下环氧绝缘板8分别通过环氧绝缘板上固定支架3和环氧绝缘板下固定支架9固定在立柱上；上应力分散锥10和下应力分散锥12分别放置在上环氧绝缘板6和下环氧绝缘板8两侧并通过上应力分散锥10和下应力分散锥12串联组件的对中性，保证期上下氧绝缘板和IGBT功率组件11的几何中心均设置在同一轴心方向上。其中双面水冷板散热器5上的IGBT水冷接头4与分水路接口处的底座水冷接头7连接。

步骤5，将主体部分定位到上应力分散锥10和下应力分散锥12内通过轴向推压碟簧组件13将功率模块串联组件慢慢压紧，直至达到碟簧组件13预先内储存的压装力，此时整个结构压力保持平衡，轴向力为IGBT所需的压装力，碟簧组件13保持平衡状态，预先拧紧的垫片此时刚好出现松动，压装完成。

压装完成后，还可通过水管连接双面水冷板散热器5与立柱上的分水路接口，通过主水路进口向冷却水路引入对外主水路的供水，测试功率模块的水冷性能。

本发明压装装置的压装主体部分由环氧绝缘板8、双面水冷板散热器5及IGBT功率组件11构成，碟簧组件13和上应力分散锥10同轴设置且其一端与水冷支撑底座1连接，下应力分散锥12一端顶装在水冷支撑底座1上。为了在IGBT运行时确保压力保持长期稳定，减小外部振动与冲击力的干扰，本结构设计了碟簧组件13已适应压力的变化。同时压装轴线上的压装部件均设计了精确的限位槽，有效的保证了压装主体部分的对中性，满足了压装IGBT器件的正常工作条件。

本领域的技术人员容易解读，以上所述仅为本发明的较佳使用案例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围内之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明保护范围内。