CN106664035A - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

不间断电源装置(1)具备：盘形状的壳体(CH)；从壳体(CH)的顶面排气并且设置于顶面的冷却风扇(7)；将冷却风扇(7)下的空间沿着垂直方向分隔为第1空间和第2空间并具有使冷却风扇(7)产生的冷却风从第1空间穿过到第2空间的开口部(K1～K4)的分隔板(BD)；被冷却风冷却的沿着垂直方向配置于第1空间的半导体单元(2～5)；安装于分隔板(BD)的开口部(K1～K4)中的至少一个上并且限制冷却风的风速的狭缝板(SL1、SL2)。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及半导体装置。
背景技术
一般，已知有由收纳半导体的半导体单元构成的半导体装置。半导体装置具备用于冷却半导体的冷却结构。
例如，公开了在以可从风洞内抽出的方式将半导体单元多级层叠并在风洞上部安装强制风冷用风扇的冷却装置中，设置对应于各半导体单元的抽出而将抽出后的空间封闭的挡板的技术(参照专利文献1)。
但是，在沿着垂直方向配置半导体单元，由冷却扇将冷却风从上部排出的半导体装置的情况下，对各级的半导体单元进行冷却的冷却风产生风速差。因而，各半导体单元的冷却效果产生偏差，半导体装置整体的冷却效率劣化。
现有技术文献
专利文献
【专利文献1】日本专利特开平4-217353号公报
发明内容
本发明的目的是提供一种减小流经沿着垂直方向配置的各半导体单元的冷却风的风速差的半导体装置。
按照本发明的观点的半导体装置，具备：盘形状的壳体；冷却扇，该冷却扇从上述壳体的顶面排气并且设置于所述顶面；分隔板，该分隔板将所述冷却扇下的空间沿着垂直方向分隔为第1空间和第2空间，并具有使由所述冷却扇产生的冷却风从所述第1空间穿过到所述第2空间的多个开口部；多个半导体单元，该多个半导体单元由所述冷却风冷却并沿着垂直方向配置于所述第1空间；以及狭缝板，该狭缝板安装于所述分隔板的所述多个开口部中的至少一个上并且限制所述冷却风的风速。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的不间断电源装置的结构的侧剖视图。
图2是表示本实施方式所涉及的不间断电源装置的电气电路的电路图。
图3是表示本实施方式所涉及的在分隔板上设置了狭缝板后的外形的外形图。
图4是表示本实施方式所涉及的开口率50％的狭缝板的外形图。
图5是表示本实施方式所涉及的开口率70％的狭缝板的外形图。
图6是表示流经本实施方式所涉及的不间断电源装置的冷却风在无狭缝板状态下的风速模拟结果的风速分布图。
图7是表示流经本实施方式所涉及的不间断电源装置的冷却风在有狭缝板状态下的风速模拟结果的风速分布图。
具体实施方式
(实施方式)
图1是表示本发明的实施方式所涉及的不间断电源装置1的结构的侧剖视图。图2是表示本实施方式所涉及的不间断电源装置1的电气电路的电路图。另外，这里说明了不间断电源装置，但也可以是任何使用需要冷却的半导体的半导体装置。另外，图面中的同一部分标注同一标号，省略其详细说明，主要对不同的部分进行说明。
不间断电源装置1是通过强制风冷来冷却半导体的半导体装置。不间断电源装置1是在盘形状(长方体形状)的壳体CH的内部收纳结构元器件的盘类型，是获得UL(Underwriters Laboratories Inc.－美国保险商试验所)认证的结构。不间断电源装置1在通常时(正常时)，通过从商用电源等的交流电源22供给的交流电，向负载23供给电力。交流电源22停电时，通过从蓄电池21供给的直流电向负载23供给电力。
参照图2，说明不间断电源装置1的电路。
不间断电源装置1具备斩波器电路(斩波单元)2；三相功率转换电路(转换器单元)3、4、5；冷却扇7；二极管整流器DSM；三相输入侧电容器C1；三相输出侧电容器C2；4个断路器CB1、CB2P、CB2N、CB3；3个电抗器L1、L2、L3及2个开关SW1、SW2。不间断电源装置1分别与蓄电池21、交流电源22及负载23连接。不间断电源装置1与交流电源22以三相三线式连接，与负载23以三相四线式连接。
功率转换电路3～5分别与U相、V相及W相对应设置。功率转换电路3～5是转换器电路CN和逆变器电路IN的直流侧彼此通过直流链路而连接的电路。从交流电源22输入的交流电依次经由断路器CB1及电抗器L2，逐相输入至功率转换电路3～5。功率转换电路3～5通过将输入的三相交流电变换为直流电，变换为供给负载23的三相交流电。功率转换电路3～5将变换的三相交流电依次经由电抗器L3及断路器CB3向负载23及冷却扇7输出。在冷却扇7的输入侧设置开关SW2。不间断电源装置1的输入侧的各相经由输入侧电容器C1与不间断电源装置1的输出侧的中性点连接。不间断电源装置1的输出侧的各相经由输出侧电容器C2，与不间断电源装置1的输出侧的中性点连接。
蓄电池21是积蓄能量的电池，用于在交流电源22停电时供给电力。蓄电池21输出的直流电在停电时，依次经由分别在正极及负极设置的2个断路器CB2P、CB2N及电抗器L1，供给斩波器电路2。斩波器电路2调节输入的直流电压，向功率转换电路3～5的各个直流链路供给直流电。对蓄电池21充电时，二极管整流器DSM将经由开关SW1从交流电源22输入的三相交流电变换为直流电，向斩波器电路2输出。斩波器电路2通过从功率转换电路3～5的直流链路或二极管整流器DSM输入的直流电进行动作，使得对蓄电池21充电。
参照图1，说明不间断电源装置1的盘内的结构。图1中的箭头表示冷却风的流向。
在不间断电源装置1的盘内，安装斩波单元2、3个转换器单元3～5、控制单元6、冷却扇7、电容器单元8、2个断路器单元9、10及3个电抗器L1、L2、L3。另外，在不间断电源装置1的盘内还安装构成图2所示电气电路的元件及设备等，但是这里省略。
不间断电源装置1的内部分为占大部分的安装结构元器件的空间和起到作为冷却风穿过的风洞的作用并且安装了电抗器L1～L3的空间的2个空间。强制风冷用的冷却扇7设置于壳体CH的顶面(上表面)的背面侧的空间。在不间断电源装置1的上部，设置冷却扇7的背面侧的空间比正面侧的空间大。在占据不间断电源装置1的内部的大部分的下侧的空间中，正面侧的空间比背面侧的空间大。不间断电源装置1的下侧的空间由分隔板BD分隔为正面侧和背面侧。
斩波单元2及转换器单元3～5(以下，称为“半导体单元2～5”。)具备由IGBT(insulated gate bipolar transistor：绝缘栅双极晶体管)等的开关元件11构成的电气电路。开关元件11是发热量多而特别需要冷却的半导体。开关元件11为薄板形状。开关元件11设置于冷却开关元件11的散热片12的顶面。开关元件11及散热片12安装在半导体单元2～5的背面侧。半导体单元2～5是冷却风从正面侧穿过到背面侧的结构。散热片12通过被冷却风冷却，使开关元件11冷却。
半导体单元2～5全部为大致相同的形状，是高度比深度及宽度较短(低)的长方体形状。半导体单元2～5设置于不间断电源装置1的正面侧的下侧的空间。半导体单元2～5的深度是比从不间断电源装置1的正面的内侧到分隔板BD为止的长度小一些的长度。从而，半导体单元2～5的正面与盘内的正面接近(或接触)，半导体单元2～5的背面与分隔板BD接近(或接触)。
半导体单元2～5沿着垂直方向配置为多级层叠，各单元2～5间存在很小的间隙。最下级的转换器单元5设置成与不间断电源装置1的底面接触。转换器单元4设置在转换器单元5上方。转换器单元3设置在转换器单元4上方。半导体单元2～5中最上级的斩波单元2设置在转换器单元3上方。
电容器单元8是收纳图2所示输入侧电容器C1及输出侧电容器C2的单元。电容器单元8具有与半导体单元2～5大致相同的形状。电容器单元8设置在斩波单元2上方。
控制单元6是安装了对不间断电源装置1进行控制的基板等的单元。控制单元6设置在电容器单元8上方的正面侧。
断路器单元9是收纳图2所示2个断路器CB2P、CB2N的单元。断路器单元9设置在电容器单元8上方的背面侧。
断路器单元10是收纳图2所示2个断路器CB1、CB3的单元。断路器单元10设置在与设置冷却扇7的空间的正面侧相邻的空间。
电抗器L1～L3设置在由位于安装半导体单元2～5的空间的背面侧的分隔板BD所隔开的空间。电抗器L1～L3是长度方向为垂直方向的长方体形状或圆柱形状。电抗器L1～L3配置为沿着垂直方向层叠。设置电抗器L1～L3的空间成为从安装半导体单元2～5的空间排出的冷却风上升后流向冷却扇7的风洞。
冷却风的吸气口Ki设置于不间断电源装置1的正面的下部从下算起的3个半导体单元(转换器单元)3～5所处的位置。分别与位于各半导体单元2～5的背面的部分对应地设置分隔板BD的开口部K1～K4。从正面的吸气口Ki吸入的冷却风穿过各半导体单元2～5，使散热片12冷却，从分隔板BD的各开口部K1～K4向不间断电源装置1的背面侧的空间排出。向背面侧的空间排出的冷却风向上流动，从设置于不间断电源装置1的顶面的冷却扇7排气。
图3是表示在本实施方式所涉及的分隔板BD设置了狭缝板SL1、SL2的外形的外形图。图4是表示开口率50％的狭缝板SL1的外形图。图5是表示开口率70％的狭缝板SL2的外形图。这里，开口率是将未设置狭缝板状态下的开口部K1～K4的开口率设为100％的比例。
设置于分隔板BD的开口部K1～K4中的最上面的开口部K1和最下面的开口部K4未设置狭缝板。即，这些开口部K1、K4的开口率为100％。在从上算起的第2个开口部K2安装开口率50％的狭缝板SL1。在从上算起的第3个开口部K3安装开口率70％的狭缝板SL2。狭缝板SL1、SL2的开口率通过狭缝SS的数目调节。另外，狭缝板SL1、SL2的开口率也可以通过狭缝SS的大小调节。
图6是表示流经本实施方式所涉及的不间断电源装置1的冷却风在无狭缝板SL1、SL2状态下的风速模拟结果的风速分布图。图7是表示流经本实施方式所涉及的不间断电源装置1的冷却风在有狭缝板SL1、SL2状态下的风速模拟结果的风速分布图。
参照图6及图7，说明确定狭缝板SL1、SL2的安装位置及开口率的方法。另外，这里说明了通过进行计算机模拟而确定狭缝板SL1、SL2的方法，但是不通过模拟，也可以实测冷却风的风速，也可以通过经验确定，也可以通过其他方法确定。
在无狭缝板SL1、SL2的状态下，流经各半导体单元2～5的冷却风的风速存在偏差。冷却扇7安装在不间断电源装置1的上部，因此，原则上，上方的静压高。即，上方的冷却风的风速快。但是，最上面的斩波单元2的吸气口Ki处于比自身的高度稍微下方的位置。相对地，其他转换器单元3～5的吸气口Ki处于各自高度的位置。从而，流经转换器单元3～5的冷却风从各自的转换器单元3～5的正面侧直线穿过到背面侧。相对地，流经斩波单元2的冷却风从稍下侧向斜上方向吸入盘内后穿过斩波单元2。即，流经斩波单元2的冷却风不是沿着直线流过(参照图1)。从而，斩波单元2虽然位于转换器单元3上，但是流过斩波单元2的冷却风的风速比流过转换器单元3的冷却风慢。
参照图6，流经从上算起的第2个半导体单元3的冷却风的风速最快，因此，在位于半导体单元3的背面侧的开口部K2安装开口率50％的狭缝板SL1。在位于从上算起的第3个半导体单元4的开口部K3安装开口率比安装在开口部K2的狭缝板SL1更高的开口率70％的狭缝板SL2。在位于最上面的半导体单元2和最下面的半导体单元5的各自位置的开口部K1、K2不安装狭缝板。即，这些开口部K1、K4成为开口率100％。开口部K1～K4的开口率越低，穿过开口部K1～K4的冷却风的风速越受限制。
在该状态下，进行冷却风的风速模拟，如图7所示。图7所示风速模拟结果中，流经各半导体单元2～5的冷却风以大致均等的风速流过。从而，狭缝板SL1、SL2确定为在该状态下安装。如流经各半导体单元2～5的冷却风存在偏差，则通过变更狭缝板SL1、SL2的开口率或者设置新的狭缝板，调节各开口部K1～K4的开口率。重复该调节，直到流经全部半导体单元2～5的冷却风均等。
根据本实施方式，通过在设置于分隔板BD的开口部K1～K4上设置改变开口率的狭缝板SL1、SL2，能够限制(调节)通过开口部K1～K4的冷却风的风速。从而，能够使流经各半导体单元2～5的冷却风的风速均等，提高半导体单元2～5的冷却效率。
例如，为了使全部半导体单元2～5充分冷却，考虑在不采用狭缝板SL1、SL2的情况下选定冷却扇7，使冷却风最慢的半导体单元5充分冷却。在该情况下，在最快的冷却风流过的半导体单元3上流过了比所需更快的冷却风。即，冷却扇7消耗了多余的能量。相对地，通过采用狭缝板SL1、SL2使流经各半导体单元2～5的冷却风的风速均等，能够避免在半导体单元2～5上流过比所需更快冷却风。从而，与未采用上述的狭缝板SL1、SL2的情况比较，能够选定容量小的冷却扇7。从而，能够高效冷却不间断电源装置1的盘内，降低不间断电源装置1的制造成本。
另外，考虑不采用狭缝板SL1、SL2，通过改变各半导体单元2～5的各自的散热片12的形状，使各冷却风的风速均等。但是，在该情况下，转换器单元3～5的散热片12的形状成为彼此不同的形状，必须按各转换器单元3～5的安装位置来改变结构。相对地，通过采用狭缝板SL1、SL2，能够使各转换器单元3～5的结构通用，而与安装位置无关。通过使各转换器单元3～5的结构通用，能够提高不间断电源装置1的生产性，降低制造成本。
而且，考虑不采用狭缝板SL1、SL2，而变更安装各半导体单元2～5的空间的尺寸(例如，深度)，使得流经各半导体单元2～5的冷却风的风速均等。在该情况下，在不间断电源装置1的盘内必须有能够变更空间的尺寸的余量，另外，可能伴随壳体CH的大幅变更。
另外，在伴随不间断电源装置1的规格变更而改造的情况下，改造后也必须使各半导体单元2～5充分冷却。但是，在不间断电源装置1的频率或额定电压变更时，各半导体单元2～5未必能够与改造前同样冷却。从而，改造后的不间断电源装置1中，必须验证各半导体单元2～5的冷却能力。
在改造后的不间断电源装置1中，若半导体单元2～5中即使有一个无法充分冷却，也需要再次改造不间断电源装置1。这里，若采用狭缝板SL1、SL2，能够简单地单独调节各半导体单元2～5的冷却风，能够容易地变更各半导体单元2～5的冷却能力。另一方面，若在不采用狭缝板SL1、SL2的情况下进行变更各半导体单元2～5的冷却能力的改造，则必须改变盘内的结构或设备的配置，或者改变各半导体单元2～5的散热片12的形状。这与安装狭缝板SL1、SL2的情况比较，改造成本高。
而且，本实施方式中，主要说明半导体单元2～5的冷却，但是对于控制单元6及电容器单元8等的其他设备及单元，通过采用实施方式说明的结构，也能够充分冷却。
另外，实施方式中，说明了四级层叠的半导体单元2～5的结构，但是只要是二级以上的多级层叠的半导体单元，则半导体单元也可以是任意个。另外，分隔板BD的开口部K1～K4与半导体单元2～5对应设置，但是，也不一定要与半导体单元2～5分别对应设置。通过将开口部K1～K4与半导体单元2～5对应设置，能够容易调节各半导体单元2～5的冷却能力。另外，若可以设置2个以上的开口部，则也可以设置任意个开口部。开口部为2个的情况下，通过在一个开口部安装狭缝板，能够减小穿过2个开口部的冷却风的风速差。
另外，本发明不限于上述实施方式，在实施阶段，在不脱离其要旨的范围能够改变结构要素并具体化。另外，通过上述实施方式公开的多个结构要素的适当组合，能够形成各种发明。例如，也可以从实施方式公开的全部结构要素删除几个结构要素。而且，不同实施方式的结构要素也可以适当组合。

Claims (5)

1.一种半导体装置，其特征在于，具备：
盘形状的壳体；
冷却风扇，该冷却风扇从所述壳体的顶面排气并且设置于所述顶面；
分隔板，该分隔板将位于所述冷却风扇下的空间沿着垂直方向分隔为第1空间和第2空间并具有使由所述冷却风扇产生的冷却风从所述第1空间穿过到所述第2空间的多个开口部；
多个半导体单元，该多个半导体单元被所述冷却风冷却并沿着垂直方向配置于所述第1空间；以及
狭缝板，该狭缝板安装于所述分隔板的所述多个开口部中的至少一个上并且限制所述冷却风的风速。
2.权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述多个开口部中的至少一个未安装所述狭缝板。
3.权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
具备多个所述狭缝板，并且所述狭缝板彼此的开口率不同。
4.权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述分隔板的所述多个开口部与所述半导体单元对应地设置。
5.一种半导体装置的冷却方法，其特征在于，包含：
在盘形状的壳体的顶面设置从所述顶面排气的冷却风扇；
将位于所述冷却风扇下的空间沿着垂直方向利用分隔板分隔为第1空间和第2空间；
在所述分隔板设置使由所述冷却风扇产生的冷却风从所述第1空间穿过到所述第2空间的多个开口部；以及
在所述分隔板的所述多个开口部中的至少一个上安装限制所述冷却风的风速的狭缝板。
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