CN101673730A - 包括半导体器件的堆叠组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种包括半导体器件的堆叠组件，该堆叠组件包括至少一个半导体器件(2a－2d)，所述半导体器件优选地具有敞开构造，散置于散热器(20a－20e)之间并且适于至少部分地浸没在液体介电冷却剂中。敞开构造指的是所述至少一个半导体器件(2a－2d)将被浸没并淹没在液体介电冷却剂中。换句话说，所述至少一个半导体器件(2a－2d)的各个部件之间的任何空间或间隙将被液体介电冷却剂填充，以提供合适的介电环境。

Description

包括半导体器件的堆叠组件
技术领域
本发明涉及包括半导体器件的堆叠组件，具体地说，本发明涉及特别设计为浸没在液体介电体中的堆叠组件。
发明内容
本发明提供一种堆叠组件，所述堆叠组件包括散置于散热器之间的至少一个半导体器件，并且适用于至少部分地(最优选完全地)浸没在液体介电体中。
所述堆叠组件优选地包括多个半导体器件，每个半导体器件位于一对散热器之间。
虽然优选的是全晶片装置(例如，晶闸管、栅极可关断晶闸管(GTO)、栅极换向晶闸管(gate commutated thyristor)或栅极换流晶闸管(gate controlled thyristor，GCT)和二极管)，但是所述堆叠组件可以用许多种不同半导体器件来形成。可以使用基于芯片的装置(例如，绝缘栅双极晶体管(IGBT)和二极管)或这种装置的组合。单个堆叠组件可以包括半导体器件的任意所需组合，半导体器件都适于受到用于保持半导体器件和散热器处于受压状态下的相同接触压力，在下文中进行更详细地描述。
典型的半导体器件包括半导体晶片或基体、欧姆接触金属喷镀部、压力接触系统、钝化层(例如，采用单层或多层构造的玻璃状聚酰胺、聚酰亚胺、硅橡胶或其它合适材料)、以及热补偿机械接触板。
在传统的压装构造中，半导体基体和接触板挤压在一对铜极片之间。在美国专利6441407中披露了传统压装构造的实例。更具体地说，美国专利6441407的图2c和图3a示出了GTO的透视图，其中半导体基体31布置在接触板32之间并且气密地封装在绝缘壳体30中。半导体基体31和接触板32挤压在铜极片33与34之间。
根据情况，半导体器件或每个半导体器件可以具有“敞开”构造或传统压装构造。一般地说，具有“敞开”构造的半导体器件指的是未气密地封装在壳体中从而使其部件与液体介电体直接接触的器件。这种器件优选地与压缩型组件一起使用。
堆叠组件可以包括至少一个具有“敞开”构造的半导体器件、以及至少一个具有压装构造的半导体器件。因此，可以在同一堆叠组件中采用不同半导体器件构造的组合。
应该相信，具有“敞开”构造的半导体器件将最大地受益于浸没在液体介电体中。这是因为半导体器件的各个部件之间的任何空间或间隙将充满液体介电体以提供合适的介电环境。用于半导体器件的材料必须与液体介电体化学相容、结构相容并且电相容，因而半导体器件和液体介电体不会因为接触而劣化。容易理解到，这种半导体器件不同于传统压装构造，这是因为半导体器件没有被气密地封装在壳体中，这允许半导体基体的所有区域被合适的中度加压介电气体(例如，干燥的氮气)包围和渗透。该半导体器件还不具有与传统压装半导体器件相关的铜极片。铜极片被散热器有效地代替。传统的封装部分通常占用传统压装半导体器件的总成本的大约一半。因此，缺少传统封装部分的具有“敞开”构造的半导体器件提供显著的成本优势。
在保存或组装到堆叠组件中时，将具有“敞开”构造的半导体器件的周围封装或以其他方式密封以限制污染物的进入。此外，封装物(例如，使用橡胶或其它适形外环)还可以用于保护半导体器件在机械搬运期间不受碰撞或冲击。重要的是注意到，围绕半导体器件的周围使用这种封装物不会减损上述“敞开”构造的优点。
接触压力(夹持力)优选地大致沿着堆叠组件的轴线施加，以保证半导体器件或每个半导体器件与相邻散热器之间的合适热接触和电接触。接触压力还保证半导体器件的电气板与半导体晶片或基体之间的合适热接触和电接触。考虑到各个接触面积是不同的并因此受到不同的接触压力，适当地对半导体基体的两面的接触区域进行金属喷涂以有助于可靠的热接触和电接触。对于使用多个单独发射凸台(即总接触面积显著小于对应阳极接触面积的凸起阴极接触岛的阵列)的GTO的情况，各个接触压力是显著不同的并且必须相应地选择接触压力。
堆叠组件优选地被共用压力接触系统(夹持系统)保持在压紧状态下。由压力接触系统大致沿着堆叠组件的轴线精确地确定并大致恒定地施加接触压力。压力接触系统使相邻金属表面上的凸起体或轻微突出部受到塑性变形，从而根据需要增加金属间接触面积以减少接触热阻和接触电阻。实际上，压力接触系统所施加的接触压力是使半导体晶片或基体断裂的力的大约50％。接触压力的进一步增大在减少接触热阻和接触电阻方面通常是没有收效的。在初次受压和相关塑性流动之后，接触压力可以在有限程度上减小而不会造成接触热阻和接触电阻的过度劣化，即该过程受到滞后现象影响。这样，必须精确地限定压力接触系统的容差。
可以使用任意合适的共用压力接触系统。
堆叠组件可以包括刚性结构，所述刚性结构弹性地安装到合适的支撑件上，以在使用时将堆叠组件定位，同时使所述半导体器件或各个半导体器件基本上不受冲击。根据需要，所述散热器可以适于允许将外力施加到堆叠组件上以将堆叠组件定位和对准。可以由刚性结构通过滑动接合部来提供径向对准。例如，刚性结构可以包括与散热器的接触表面滑动接触的一个或多个刚性纵向构件。
用于主要承担张力负荷的支撑杆可以穿过所述散热器的在角度上间隔开的开口。所述支撑杆的端部优选地固定到所述堆叠组件的刚性结构上。
半导体器件可以以任意合适的电力电路拓扑来构造，例如电流源逆变器、电压源逆变器、矩阵变换器和整流器。电力电路拓扑可以集成有相关的无源部件。完整电力电路拓扑可以构造在单个堆叠组件内，或者可以分布在任意合适数量的堆叠组件内。同一堆叠组件或不同堆叠组件内的半导体器件可以串联或并联地连接在一起。电力电路拓扑可以用任意合适数量的堆叠组件来构造，并且每个堆叠组件可以包括合适数量的半导体器件或者具有任意合适的物理尺寸。可以使用具有“敞开”和完全容纳压装构造的半导体的组合。
可以使用电缆或母线来连接特定堆叠组件内的半导体器件，以便获得所需的电力电路拓扑。例如，6脉冲Greatz桥二极管整流器可以使用第一母线来将三个二极管器件的阳极连接在一起以提供负极DC端子，并且使用第二母线来将三个其它的二极管器件连接在一起以提供正极DC端子。电缆或母线还可以用于将一个堆叠组件中的半导体器件连接至另一个堆叠组件中的半导体器件。
单个堆叠组件或多个堆叠组件可以形成独立功率变换器或物理上集成有其他装置的功率变换器(例如，具有集成的电力电子部件的电机)的基本部件。
将堆叠组件浸没在液体介电体中允许使用高效和紧凑的热接合部，而不会存在通常与传统空气绝缘半导体器件相关的绝缘击穿的危险。因此，堆叠组件构造使得在给定空间内可获得的额定电流、额定电压和额定功率能够最大化。堆叠组件构造还使得功率变换装置可以具有极高的功率密度和较低的成本，尤其是在部件和系统高度集成的情况下更是如此。液体介电体提供堆叠组件可以安全地工作的冷却节电环境。
使用液体介电体有利于如下部件的电绝缘和冷却：可能也浸没在堆叠组件附近并与堆叠组件连接的开关辅助网络部件(switchingaid network component)、栅极驱动部件和其它相关无源部件。
可以使用任意合适的液体介电体。容易理解到，术语“液体介电体”不仅意图涵盖那些专门出售的专用液体，而且包括具有足够的介电耐压性的任意液体。这包括去离子水、FLUORINERT和其它等同的全氟化碳液体、矿物变压器油(miner transformer oils)、硅酮变压器油(silicone transformer oils)、合成油和酯、二氯甲烷等。尤其优选的冷却剂是例如MIDEL和其等同体等专用变压器绝缘液体。对于任意液体介电冷却剂，都要考虑各种环境和化学相容性。
散热器可以具有用于将堆叠组件工作时产生的热量散发到周围液体介电体中的多个径向冷却散热片。散热器可以由例如铝、铜和其合金等任意合适的材料制成，并且由例如挤出、烧结、烧结锻造(sinter-forging)、铸造、机加工等任意合适的方法来制造。此外，散热器的表面可以用任意合适的方法来构造纹理结构，以增加表面积或有益地影响液体介电体的边界层流动和热交换特性。散热器提供传统压装半导体器件中所具有的铜极片的压缩适应性、热连接和电连接，但是又额外地在所述半导体器件或每个半导体器件与大浸湿金属热交换区域之间提供短的热传导路径。因此可以将半导体器件工作时产生的热量有效地传递到围绕堆叠组件的液体介电体中。
虽然围绕堆叠组件的液体介电体可以是静止的，但是通常优选的是，使液体介电体流过堆叠组件来提供改进的冷却效果。如果散热器包括径向散热片，那么液体介电体将优选地沿着与堆叠组件的轴线大致平行的方向流动，因而液体介电体围绕径向散热片并且在径向散热片之间流动。然而，实际上，液体介电体可以相对于堆叠组件的轴线沿着任意方向流动。
可以利用例如合适的泵吸系统或自然的对流现象(热虹吸)而使液体介电体流过堆叠组件。可以设置导流板或导管来引导液体介电体流动以最佳地冷却堆叠组件。
液体介电体必须是基本上除去空气的和除去气体的。可以使用具有空气和气泡分离器的自动排气液体回路。
本发明还提供一种设备，其中，上述堆叠组件布置在容纳有液体介电体的腔室或贮液缸中，从而使堆叠组件至少部分地(优选的是完全地)浸没在液体介电体中。堆叠组件可以浸没在例如电机的液体冷却回路中的合适的现有或特别设置的腔室或贮液缸中。
可选的是，堆叠组件可以位于经由管道或歧管供应并排出液体介电体的流体密封性壳体中。容纳一个或多个堆叠组件的多个这种壳体可以围绕气冷电机的定子组件设置于在角度上间隔开的位置上。可以通过电缆或母线向该壳体或每个壳体供应AC电能或DC电能，以操作上述半导体器件或每个半导体器件。上述流体密封性壳体或每个流体密封性壳体可以由任意合适的材料制成。如果壳体由金属材料制成，那么优选地使用合适的绝缘衬套等将壳体接地。可移除遮盖件可以使人接触到壳体的内部，以对堆叠组件进行维护和修理。
一个或多个径向散热片可以适于允许将辅助电气部件(例如，栅极驱动电子部件和开关辅助网络)安装到散热器上，并且允许借助于例如合适的电缆或母线在散热器之间进行电连接或者与外部部件电连接。
附图说明
图1是本发明的基本堆叠组件的分解透视图，其中，具有“敞开”构造的四个半导体器件散布于五个散热器之间；
图2是已装配的图1的堆叠组件的剖视图；
图3是完整地具有共用压力接触系统、支撑杆、母线和辅助电气部件等的本发明具体堆叠组件的透视图；
图4是图3的具体堆叠组件的透视图，示出刚性支撑结构；
图5是图3的具体堆叠组件的侧视图，示出刚性支撑结构；
图6A是四相桥的示意图；
图6B是12脉冲串晶闸管整流器的示意图；以及
图7至图9是可以用于将接触压力施加到堆叠组件上的共用压力接触系统的细节图。
具体实施方式，
下面，将参考图1和图2描述根据本发明的基本堆叠组件。
该堆叠组件包括具有任意合适拓扑结构的四个半导体器件2a-2d。例如，在半导体器件2d是栅极可关断晶闸管(gate turn-offthyristor，GTO)的情况下，半导体器件2d可以包括用多个单独的凸台来限定阴极层的半导体基体或晶片4。用金属层覆盖凸台的外表面以形成多个单独的阴电极。用连续的金属层覆盖基层的外表面以形成有效地围绕在阴极层的凸台周围的栅电极。
钼盘形式的阴极板6与半导体基体4的各单独的阴电极接触。同样为钼盘形式的阳极板8与半导体基体4的阳极层的外表面接触。
半导体基体4被封装在适形外环10以及阴极板6和阳极板8内。外环10在存储时或被组装到堆叠组件中时限制污染物进入半导体器件，并且保护半导体基体4在机械搬运期间不受到碰撞或冲击。
设置栅极驱动连接件12，栅电流和辅助阴极电流可以沿着该栅极驱动连接件在半导体器件与外部栅极驱动电路14之间流动。
半导体器件2a-2d散置于构造相同的五个散热器20a-20e之间。每个散热器相当于传统压装(press pack)构造的铜极片。栅极驱动连接件12位于设置在相邻散热器中的开口22内。更具体地说，第一半导体器件2a的栅极驱动连接件容纳在设置于第一散热器20a中的开口内；第二半导体器件2b的栅极驱动连接件容纳在设置于第二散热器20b中的开口内；第三半导体器件2c的栅极驱动连接件容纳在设置于第四散热器20d中的开口内；并且第四半导体器件2d的栅极驱动连接件容纳在设置于第五散热器20e中的开口内。因此，容易理解到，堆叠组件相对于第三散热器20c对称地布置。在设置于第三散热器20c中的开口内不容纳栅极驱动连接件，实际上该开口可以完全省略。
第一散热器20a用作第一半导体器件2a的阴极侧电极件(polepiece)。第二散热器20b用作第一半导体器件2a的阳极侧电极件以及第二半导体器件2b的阴极侧电极件。第三散热器20c用作第二半导体器件2b和第三半导体器件2c的阳极侧电极件。第四散热器20d用作第三半导体器件2c的阴极侧电极件以及第四半导体器件2d的阳极侧电极件。第五散热器20e用作第四半导体器件2d的阴极侧电极件。
狭槽24可以从每个散热器20a-20e的开口22沿着径向向外延伸至外表面。栅极驱动连接件12的径向延伸的导体元件位于狭槽24中并且突出到散热器的外表面以外，从而使导体元件与栅极驱动电路14连接，在图1和图2中仅示出一个栅极驱动电路。
散热器20a-20q中的开口22和狭槽24的大小设定为使栅极驱动连接件12与散热器间隔开以防止栅极驱动连接件12与散热器之间的任何电接触。虽然未示出，但是栅极驱动连接件12与散热器之间的间隙可以由介电材料来填充。
可压缩绝缘盘16位于设置于第一散热器、第二散热器、第四散热器和第五散热器中的开口22内。每个绝缘盘的一侧与相关栅极驱动连接件12直接接触，而相对侧与相邻半导体器件的阳极板或绝缘垫(未示出)直接接触。绝缘盘的厚度可以选择为向栅极驱动连接件12提供所需轴向接触压力。换句话说，绝缘盘16越厚，在栅极驱动连接件12与半导体基体4之间施加的轴向接触压力越大，反之亦然。
散热器20a-20e设置有多个周向间隔开的径向散热片26，该散热片用于将半导体器件2a-2d正常操作期间产生的热量散发到周围的液体介电冷却剂中。散热器20a-20q包括等间距地间隔开的四个厚度增大的散热片28。每个散热片28包括用于接纳支撑杆(将在下文中详细地描述)的开口30和一对安装臂32a、32b。
共用接触压力系统(未示出)沿着堆叠组件的轴线施加接触压力，以在各个半导体器件2a-2e的阴极板6和阳极板8与相邻散热器20a-20e的接触表面之间维持适当的电接触和热接触。该接触压力还在各个半导体器件2a-2e的阴极板6和阳极板8与半导体基体4之间维持适当的电接触和热接触。
下面，将参考图3至图6描述完整堆叠组件的优选实施例。该堆叠组件包括散置于17个铝散热器20a-20q之间的16个半导体器件。然而，容易理解到，堆叠组件相对于散热器20i对称地布置，散热器20i包括彼此直接接触(即没有被半导体器件间隔开)的三个单独的散热器。因此，将理解到，本文所用的术语“散热器”应该包括没有被半导体器件间隔开的两个或更多个单独的散热器。概括地说，堆叠组件可以包括散置于n+1个散热器之间的n个半导体器件。形成堆叠组件的半导体器件可以具有相同的拓扑结构或不同的拓扑结构。例如，16个半导体器件可以全部是GTO。可选的是，堆叠组件可以包括以合适的电力电路拓扑构造成的不同半导体器件。
如图3至图5所示的半导体器件的具体布置方式是在每个臂上使用两个串联的4.5kV GTO的四相桥。这在图6A中示意性地示出。该桥具有标记为DC1和DC2的两个DC端子以及标记为～1、～2、～3和～4的四个AC端子。臂布置在各个DC端子与AC端子之间。例如，第一臂布置在第一DC端子DC1与第一AC端子～1之间，第二臂布置在第一AC端子～1与第二DC端子DC2之间。第一臂和第二臂一起利用四个半导体器件构成桥的第一相。以相应的方式形成第二相、第三相和第四相。
在图6B中示意性地示出典型的12脉冲串晶闸管整流器。虽然未示出，但是这种堆叠组件使用散置于散热器之间的12个晶闸管半导体器件。标记为～1a、～2a和～3a的第一三相AC端子向第一整流桥供电，该第一整流桥的DC端子被标记为DC1和DC2。标记为～1b、～2b和～3b的第二三相AC端子相对于第一AC端子相移30度并且向第二整流桥供电，该第二整流桥的DC端子被标记为DC2和DC3。因此，DC端子DC2被两个整流桥共用，从而将第一整流桥与第二整流桥的各个DC输出串联，它们的组合输出在DC端子DC3(正极)与DC1(负极)之间。在一些应用中也可以使用中点DC端子DC2。
将每个散热器20a-20q的径向散热片26、28对准以限定轴向排。从而在径向散热片26、28之间形成轴向通道，在将堆叠组件定位以进行使用时，液体介电冷却剂可以沿着该轴向通道流动。下面，更详细地描述在堆叠组件的使用寿命期间维持散热器20a-20q的径向对准的方式。
图3示出怎样将各种不同母线、机械支撑件和辅助电气部件(例如，缓冲电路)连接至径向散热片28的臂32a、32b。例如，一系列缓冲电容器34经由提供电连接和机械支撑的U形母线36与散热器20a-20h和20j-20q的一个径向散热片28的臂连接。
四个母线38向堆叠组件的输出AC端子(未示出，但在图6A中通过标记为～1、～2、～3和～4的AC端子示意性示出)提供电连接和机械支撑。其它母线40向沿着堆叠组件的一侧延伸的一对DC母线42提供电连接和机械支撑，并且与输出DC端子(未示出，但在图6A中通过标记为DC1和DC2的DC端子示意性示出)连接。可以用母线实现图6A示意性示出的散热器之间的互连，母线可以选择性地包含有多个特征以提供足够的挠性来避免因不同的热膨胀而产生大的力。这些特征可以包括合适地形成的多段母线，但是在一些情况下可以使用挠性的编织或层合薄片连接物。
使用螺纹紧固件来将各种母线36、38和40固定到散热器上，并且径向散热片28的臂32a、32b设置有用于接纳螺纹紧固件的合适螺纹开口。
外部电路与堆叠组件的DC母线42和输出AC端子(未示出)之间的连接可以使用快拆连接器(未示出)。
栅极驱动连接件12的栅极驱动电路14被小夹具44保持在一对径向散热片26之间的合适位置上。
参考图4和图5，堆叠组件被刚性外支撑框架46围绕。支撑框架46包括一对端板48a和48b，四个纵向构件50连接在该对端板之间。纵向构件50是实心的并且与第一端板48a刚性连接。纵向构件50具有与第二端板48b连接的滑动接合部。
纵向构件50穿过径向散热片28的臂32a、32b之间的轴向通道，并且穿过第二端板48b中的对应轴向开口。纵向构件50与散热器20a-20q以及纵向构件50与第二端板48b之间的滑动接合部将堆叠组件在径向上定位。更具体地说，径向散热片28包括位于臂32a、32b之间的与纵向构件50滑动接触的平坦表面28a。第二端板48b具有与纵向构件50滑动接触的对应平坦表面。通过将四个纵向构件50布置为相对于彼此具有90度的连续角位移，可以将任意方向上的径向力作为向量力对从任意散热器20a-20q和第二端板48b传递到对应的成对相邻纵向构件50中。在一些情况下，滑动接合部可以在平坦表面28a的任一侧上沿着径向散热片的表面继续延伸，以便提供附加支撑表面区域。
用任意合适装置使纵向构件50与散热器20a-20q电绝缘。合适的实例包括热收缩套筒或涂覆到纵向构件50上的其它涂层。可选的是，可以用形成为精确地填充纵向构件50与散热器20a-20q之间的间隙的绝缘材料部分来提供绝缘。绝缘材料必须是耐磨的并且提供足够低的摩擦系数，以允许散热器20a-20q沿着轴向相对于纵向构件50和绝缘材料滑动，而不显著地干扰堆叠组件的整个长度上的预期接触压力。纵向构件50与第二端板48b之间的滑动接合部不需要如散热器20a-20q那样电绝缘，但是为了方便或者为了例如通过减少摩擦来改善滑动接合部的性能，该滑动接合部可以是绝缘的。
四个支撑杆52延伸穿过设置在各个径向散热片28中的开口30。支撑杆52主要承担张力负荷并且对散热器20a-20q与整个堆叠组件的径向对准仅起到少量贡献。端板48a和48b包括用于接纳支撑杆52的四个开口。支撑杆52的从端板48a和48b的开口中穿过的端部具有外螺纹，并且使用螺母和其它合适的机械固定件将支撑杆固定到刚性外支撑框架46上。
用任意合适装置使支撑杆52与散热器20a-20q电绝缘。合适的实例包括热收缩套筒或涂覆到支撑杆52上的其它涂层。可选的是，可以用形成为精确地填充支撑杆52与散热器20a-20q之间的间隙的绝缘材料部分来提供绝缘。绝缘材料必须是耐磨的并且提供足够低的摩擦系数，以允许散热器20a-20q沿着轴向相对于支撑杆52和绝缘材料滑动，而不显著地干扰堆叠组件的整个长度上的预期接触压力。
共用接触压力系统(夹持系统)100沿着堆叠组件的轴向施加接触压力以保证维持合适的电接触和热接触。接触压力系统可以在堆叠组件的使用寿命期间设定并调节接触压力。在图7至图9中示出接触压力系统100的细节图。
图7示出在固定外部工具以允许设定接触压力的组装过程中的接触压力系统100。接触压力系统100包括加载垫102，该加载垫具有用于容纳加载销104的凹陷部。加载销104具有加载凸缘106和外螺纹区域108。虽然压缩弹簧110由串并联盘簧(贝氏垫圈)来实现，但是容易理解到也可以使用其它合适的弹簧系统。
锁定套圈112的内部被加工为能够与加载销104精确配合，并且在图中突出显示了加工出的接合部114。锁定套圈112具有允许其围绕加载销104旋转的任意合适轮缘(rim)特征。在该情况下，锁定套圈112包括设计为容纳G扳手或其它合适工具的一系列角度上间隔开的孔或开口。锁定套圈112具有滑动配合到端板48a中的圆形横截面区域、以及对端板的对应表面施压的平坦压力表面。
外部工具具有向加载销104的端部施加压力Fj并且向端板48a的末端施加张力-Fj/2的力设定装置116。为了清楚起见，图7至图9中的端板48a示出为仅具有两个末端和两个对应力。然而，容易理解到，实际上，端板48a可以具有任意合适数量的末端，在图3至图5所示的优选堆叠组件中存在四个末端和四个对应的压力-Fj/4。所述力可以由校准的液压千斤顶(calibrated hydraulic jack)或任意其它合适装置来提供。
加载垫102挤压绝缘垫(未示出)，绝缘垫又挤压散热器20q以将接触压力传递到堆叠组件上，同时使堆叠组件与接触压力系统100和支撑结构电绝缘。对应的绝缘垫118(图3)设置在堆叠组件的另一端并位于散热器20a与端板48b之间，从而将堆叠组件有效地夹持在接触压力系统100与端板48b之间，同时使堆叠组件与接触压力系统100和支撑结构电绝缘。
图7示出施加到加载垫上的所需接触压力Fc，其中Fc＝Fj。可以看出，在锁定套圈112与端板48a的对应表面之间存在轴向间隙或间隔。在支撑杆52中存在对应张力Ft/2以便维持力的平衡。同样地，为了清楚起见，端板48a在图7至图9中示出为仅具有两个末端和两个支撑杆。然而，容易理解到，实际上，端板48a可以具有任意合适数量的末端，并且在图3至图5所示的优选堆叠组件中存在四个末端和四个支撑杆52。
图8示出在转动锁定套圈112以便将锁定套圈与端板48a的对应表面之间的轴向间隙或间隔闭合(消除)之后的接触压力系统100。在该阶段中，锁定套圈112与加载销104之间的螺纹连接部几乎是刚性的，从而可以在几乎不影响接触压力Fc的情况下移除力设定装置116(图9)。然而，实际上螺纹连接部是轻微弹性的，在移除力设定装置116时夹持力Fc相对于接触压力Fj稍微减少。可以将压力Fj设定为适应该弹性。
如图9所示，在移除力设定装置116之后，锁定套圈112受到与张力Ft/2相等的反作用力Fr/2，并且图中突出显示的螺纹连接部114将反作用力Fr/2传递到加载销104上成为压力-Fc。
在室温下和在所有操作条件下，典型的接触压力可以是大约32kN±10％。接触压力优选地均匀分布在各个半导体器件的阴极板6和阳极板8的整个表面上。
容易理解到，大量效果可能结合在一起而影响堆叠组件所受到的接触压力。例如，以下情况会使得接触压力增加：散热器、各个半导体器件的阴极板和阳极板、半导体基体以及保持在受压状态下的其它部件的热膨胀。以下情况会使得接触压力减小：保持在张紧状态下的任何部件的热膨胀或蠕变、端板的蠕变、散热器的塑性流动(plasticflow)、例如螺纹和贝氏垫圈的底座等任何局部高负载夹持部件的塑性流动。上述滑动接合部中的摩擦力对接触压力的影响必须最小，并且实际上该摩擦力对接触压力仅具有极其小的影响(该影响具有由不同热膨胀的循环特性决定的滞后现象)。
图3至图5所示的整个堆叠组件可以位于电机的腔室或贮液缸(与电机相关联或独立于电机)(未示出)中。用例如MIDEL等液体介电冷却剂来填充腔室。使液体介电冷却剂沿着与堆叠组件的纵向轴线平行的方向流过堆叠组件。例如，腔室可以形成冷却剂回路的一部分，液体介电冷却剂经泵吸穿过该冷却剂回路。因此，当液体介电冷却剂在散热器20a-20q的径向散热片26、28之间流过时，可以将半导体器件工作所产生的热量传递到液体介电冷却剂中。
整个堆叠组件也可以位于流体密封性壳体(未示出)中。多个壳体可以固定在电机的定子组件周围。冷却剂歧管将液体介电冷却剂供应到壳体中并且从壳体中移出液体介电冷却剂。因此，用流动的液体介电冷却剂填充壳体，并且可以将堆叠组件完全浸没在液体介电冷却剂中。液体介电体提供冷却介电环境，堆叠组件可以在该环境中进行安全的操作。
刚性外结构的纵向构件50是对腔室或流体密封性壳体内的堆叠组件进行支撑的主要装置。纵向构件50可以由具有薄板表面或箱型构造以引导液体介电冷却剂流动的任意合适外部结构(未示出)来支撑。纵向构件50可以与穿透板(未示出)连接并由穿透板支撑，各种信号电平和电源电气互连器件穿过该穿透板，以允许浸没在液体介电冷却剂中的栅极驱动电子部件与气冷电子电路连接。浸没在液体介电冷却剂中的栅极驱动电子部件可以被支撑在任意合适结构上，而该结构可以固定于一个或多个纵向构件50和/或穿透板(未示出)上。
由于所有的半导体器件具有“敞开”构造，因此液体介电冷却剂可以在电力半导体器件区域中穿透到堆叠组件中。具体地说，液体介电冷却剂将在散热器之间流动，从而包围半导体器件，并且可以进入可能存在于半导体基体4与各自的阴极板6、阳极板8以及任何相关栅极驱动电路连接件12之间的任何空隙或空腔。围绕在各个半导体器件的阴极板6、阳极板8和半导体基体4周围的适形外环10不会妨碍或阻止液体介电冷却剂穿透到堆叠组件中。因此半导体器件的所有区域必须与液体介电体是化学相容的。在施加夹持力之前不能将液体介电体施加到堆叠组件中，并且所得到的夹持压力阻止液体介电体流入到上述接触凸起体(contacting asperity)之间。
由于整个堆叠组件充满了液体介电体，因此，随之而来的是，相关的缓冲器、选通和电互连辅助件可以被设计为受益于介电冷却剂环境。
虽然本发明的优选实施例使用具有“敞开”构造的电力半导体器件，但是可以在相同的总体布置方式中使用传统的完全容纳压装半导体器件。

Claims (12)

1.一种堆叠组件，包括：
至少一个半导体器件(2a-2d)，其散置于散热器(20a-20e)之间并且适于至少部分地浸没在液体介电体中，其中，所述至少一个半导体器件具有敞开构造；以及
压力接触装置(100)，其用于大致沿着所述堆叠组件的轴线施加接触压力。
2.根据权利要求1所述的堆叠组件，还包括：
多个半导体器件(2a-2d)，每个半导体器件位于一对散热器(20a-20e)之间。
3.根据权利要求1所述的堆叠组件，还包括：
用于向所述堆叠组件施加径向对准力的装置(28、28a、50)。
4.根据权利要求1所述的堆叠组件，其中，
所述散热器(20a-20d)具有多个径向冷却散热片(26、28)。
5.根据权利要求4所述的堆叠组件，其中，
所述径向冷却散热片(28)中的一个或多个适于安装辅助电子部件。
6.一种设备，其中，
根据权利要求1的堆叠组件位于容纳有液体介电体的腔室中，从而所述堆叠组件至少部分地浸没在所述液体介电体中。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，
所述液体介电体是静止的。
8.根据权利要求6所述的设备，其中，
使所述液体介电体流过所述堆叠组件。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，
使所述液体介电体沿着与所述堆叠组件的轴线大致平行的方向流过所述堆叠组件。
10.根据权利要求6所述的设备，其中，
所述腔室由流体密封性壳体来限定。
11.根据权利要求6所述的设备，其中，
多个根据权利要求1所述的堆叠组件位于所述腔室中，从而使所述堆叠组件至少部分地浸没在所述液体介电体中。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，
一个堆叠组件的至少一个半导体器件与至少一个不同的堆叠组件的至少一个半导体器件电连接。
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