JP2000091130A - 半導体装置の冷却構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】変成器など絶縁油を封入したタンクとパワー半
導体デバイスを一体化して、パワー半導体デバイスから
の発生熱を、タンクに封入した絶縁油に伝達してパワー
半導体デバイスの冷却を行い、装置の小型化と取付や保
守の作業性を向上させ、特に柱上設置形の半導体装置の
冷却に好適な装置を提供するものである。 【解決手段】油入変成器１のタンク２の下部側を開口し
て、ここを冷却板１１で塞ぎ、この冷却板１１の片面を
タンク２の内側に封入した絶縁油４と接触させ、外気に
接触する冷却板１１の他面に、パワー半導体デバイス６
を装着した取付板１２を取付けて、油入変成器１とパワ
ー半導体デバイス６を一体化し、パワー半導体デバイス
６の発生熱を前記絶縁油に伝達して同時に冷却するよう
にしたことを特徴とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、変成器など絶縁油
を封入したタンクとパワー半導体デバイスを一体化し、
パワー半導体デバイスの発生熱を絶縁油に伝達して同時
に冷却する半導体装置の冷却構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、サイリスタや、トライアック、
ＩＧＢＴなどのパワー半導体デバイスを使用する場合、
パワー半導体デバイスから発生する発生熱を放熱する必
要がある。この冷却方式としては、大気中に自然放熱す
る自冷式と、ファンを用いて風を送る風冷式、絶縁油な
どの冷却媒体中に浸して冷却媒体の熱を自然放熱する油
浸自冷式などがある。

【０００３】自冷式はごく小容量の装置には適するが容
量の大きいものには向かない。素子１個で１００Ｗを超
える損失が発生するとき、これを自冷で冷却する際は、
小さな発熱面積の発熱部から広い放熱面積を持つ放熱器
部分まで効率よく熱を伝えるのが難しい。また放熱面積
を確保するためには、素子の収納箱が大型化する問題が
ある。更に風冷式はファンの定期交換が必要で手間がか
かり、また収納箱が開放構造の場合は、汚損された空気
を取り込む可能性があり周囲環境の影響を受け易い問題
があった。

【０００４】また柱上設置のトランスなどの変成器は、
これに付属してパワー半導体デバイスが設けられて電圧
調整を行う構造になっている。この場合、変成器に封入
されている絶縁油は隣接して設けたラジエータで放熱し
て冷却しているが、パワー半導体デバイスからの発熱に
対しては、風冷又は別個の冷却装置を取付ける必要があ
った。風冷の場合には設置環境の制約を受け、また冷却
媒体を循環させる冷却装置を取付けると装置が大型化
し、柱上に設置するには架台の強度向上や取付け、保守
作業などに多くの問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記欠点を除
去し、変成器などの絶縁油を封入したタンクとパワー半
導体デバイスを一体化して、パワー半導体デバイスから
の発生熱をタンクに封入した絶縁油に伝達して、タンク
内の機器とパワー半導体デバイスの冷却を同時に行い、
装置の小型化と取付や保守の作業性を向上させ、特に柱
上設置形トランスに好適な半導体装置の冷却構造を提供
するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
半導体装置の冷却構造は、変成器など絶縁油を封入した
タンクの表面にパワー半導体デバイスを装着した取付板
を取付けて、タンクとパワー半導体デバイスを一体化
し、パワー半導体デバイスの発生熱を前記絶縁油に伝達
するようにしたことを特徴とするものである。

【０００７】また請求項２記載の半導体装置の冷却構造
は、変成器など絶縁油を封入したタンクの一部を開口し
て、ここを冷却板で塞ぎ、この冷却板の片面をタンク内
側に封入した絶縁油と接触させ、外気に接触する冷却板
の他面に、パワー半導体デバイスを装着した取付板を取
付けて、タンクとパワー半導体デバイスを一体化し、パ
ワー半導体デバイスの発生熱を前記絶縁油に伝達するよ
うにしたことを特徴とするものである。

【０００８】更に請求項３記載の半導体装置の冷却構造
は、絶縁油と接触する冷却板の片面に、溝またはフィン
を設けたことを特徴とするものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の一形態を図１
ないし図２を参照して詳細に説明する。図において１は
油入変成器で、タンク２の内側にコイル３が収納され、
ここに絶縁油４が封入されて、絶縁油４でコイル３の絶
縁と冷却を行なうようになっている。油入変成器１の横
にはラジエータ５が取付けられ、前記タンク２内に封入
した絶縁油４が対流により循環して冷却するようになっ
ている。更に油入変成器１のタンク２の下部側面にはパ
ワー半導体デバイス６が取付けられ、この外側を囲むよ
うに収納箱７が設けられている。

【００１０】パワー半導体デバイス６の取付け部分を図
２に拡大して示すと、油入変成器１のタンク２の下部側
面を四角形状に開口して、この開口部８に取付枠９を接
合し、ここにパッキング１０を介してアルミニウムなど
の熱伝導率の高い金属板で形成された冷却板１１をボル
トで取付けて開口部８を塞ぎ内部を密閉する。

【００１１】冷却板１１の外気と接触する片面には、サ
イリスタや、トライアック、ＩＧＢＴなどで構成された
パワー半導体デバイス６を装着した取付板１２がボルト
で接合されている。これらパワー半導体デバイス６はタ
ンク２の側面に取付けた収納箱７の内部に収納され、油
入変成器１と制御するパワー半導体デバイス６が一体化
されている。

【００１２】上記構成の半導体装置の冷却構造は、油入
変成器１の運転によりコイル３が発熱すると共にパワー
半導体デバイス６も発熱する。コイル３の発熱により、
これを浸漬している絶縁油４の温度が高くなり、温度が
高くなった絶縁油４は対流によりタンク２内を上昇して
ラジエータ５に流れ、ここで図示しないフィンで大気中
に放熱されて自然空冷によって冷却される。

【００１３】冷却されて温度が下がった絶縁油４は、ラ
ジエータ５を下降してタンク２の下部側から流入する。
従って、タンク２の内部では温度の低い絶縁油４が下部
側に、温度の高い絶縁油４は上部側に位置し、対流によ
り循環しながらコイル３を連続的に冷却するようになっ
ている。

【００１４】一方、通電状態でパワー半導体デバイス６
からも発熱し、この発生した熱は図２に示すように取付
板１２を介して、アルミニウムなどの熱伝導率の高い金
属板で形成された冷却板１１に伝達され、更にこの反対
側の絶縁油４と接触する表面から伝達されてパワー半導
体デバイス６が冷却される。冷却板１１は、絶縁油の温
度が低いタンク２の下部側面に取付けられているので効
率よく冷却され、温度の高くなった絶縁油４は同時にコ
イル３も冷却しながら上昇してラジエータ５で放熱し、
再び戻されて連続的に冷却することができる。パワー半
導体デバイス６の取付板１２の限られた小さな接触部か
ら油入変成器１のラジエータ５までの熱伝達は、熱伝導
性に優れたアルミニウムなどの冷却板１１と絶縁油４の
対流を利用するので効率が良い。

【００１５】従って、油入変成器とパワー半導体デバイ
スを一体化して、油入変成器１に封入されている絶縁油
４を利用してパワー半導体デバイス６の発熱も同時に冷
却するので、別個に冷却設備を設ける必要がなく、装置
を小形化することができる。またパワー半導体デバイス
６の点検や交換を行なう場合には、取付板１２を冷却板
１１から取外して行なうことができるので作業性が良
く、柱上設置形のトランスに適用した場合に好適であ
る。

【００１６】またパワー半導体デバイス６はタンク２に
封入した絶縁油４の熱容量を利用することにより、日射
による急激な温度変化が収納箱７の表面に生じても、油
温はゆっくりと変化するため、パワー半導体デバイス６
の冷却に支障をきたさない。また寒冷地において運転を
開始する際に、パワー半導体デバイス６が極低温にさら
されるとゲート特性が悪くなりオンしにくい状態が発生
する。しかし油入変成器１が無負荷で発生する熱で絶縁
油４が暖められていれば、パワー半導体デバイス６も逆
に暖められるため良好な状態で運転に入ることができ
る。

【００１７】図３は本発明の他の実施の形態を示すもの
で、絶縁油４と接触する冷却板１１の表面に、図４に示
すように縦横の溝１３を格子状に形成して放熱面積を拡
大し、冷却効率を高めたものである。この場合、縦方向
の溝１３は深く、横方向の溝１３は浅く形成され絶縁油
４の上昇を妨げないようになっている。

【００１８】また図５は本発明の異なる他の実施の形態
を示すもので、絶縁油４と接触する冷却板１１の表面
に、図６に示すように縦横のフィン１４を格子状に突設
して放熱面積を拡大し、冷却効率を高めたものである。
この場合、縦方向のフィン１４は高く、横方向のフィン
１４は低く形成されている。

【００１９】図７は本発明の他の実施の形態を示すもの
で、油入変成器１のタンク２の底面を開口し、ここを冷
却板１１で塞いで、この表面にパワー半導体デバイス６
を取付けた取付板１２を接合したものである。この構造
は、温度が低い絶縁油４が位置しているタンク２の底部
側に冷却板１１が取付けられているので、効率良く冷却
することができる。

【００２０】図８は本発明の他の実施の形態を示すもの
で、油入変成器１のタンク２の下部側面を一部除去して
段部を形成し、この部分の側面を開口して、ここを冷却
板１１で塞ぎ、この表面にパワー半導体デバイス６を取
付けた取付板１２を接合したものである。この構造も、
温度が低い絶縁油４が位置しているタンク２の底部近傍
に冷却板１１が取付けられているので、効率良く冷却す
ることができる。

【００２１】図９は本発明の他の実施の形態を示すもの
で、油入変成器１のタンク２の底面に、パワー半導体デ
バイス６を装着した取付板１２を直接、接合したもので
ある。この構造は、温度が低い絶縁油４が位置している
タンク２の底部側に取付けられているので、冷却板１１
がなくても良好に冷却することができる。

【００２２】なお図７ないし図９ではパワー半導体デバ
イス６を覆う収納箱７を仮想線で示しているが、収納箱
７がない構造でも良い。また油入変成器１はラジエータ
５のない構造のものでも良い。いずれの実施の形態にお
いても、収納箱７は油入変成器１と接している為、油入
変成器１の熱が収納箱７に伝わり、収納箱７の温度が上
昇することが考えられる。一般的に収納箱７には、コン
デンサ、プリント基板等の温度の上昇を低く抑えた方が
良いものも収納されている。その様な場合には、油入変
成器１から収納箱７への熱伝達量を減らす目的で、冷却
板１１の素子取付面を断熱材で覆うことが有効である。
また、それとともに、収納箱７の一部を絶縁材料又は断
熱性のある材料により仕切る事も考えられる。

【００２３】なお、これまでの実施の形態では、パワ−
半導体デバイス６の冷却板１１は油入変成器１の下部に
取付けた構造について説明してあるが、温度上昇に余裕
のある場合は、下部でなくとも中間部や上部に取付けた
構造でも良い。

【００２４】

【発明の効果】以上説明した如く本発明の請求項１記載
の半導体装置の冷却構造によれば、変成器など絶縁油を
封入したタンクと半導体装置を一体化し、タンクに封入
されている絶縁油を利用してパワー半導体デバイスの発
熱も同時に冷却できるので、別個に冷却設備を設ける必
要がなく、装置を小形化することができる。またパワー
半導体デバイスの点検や交換を行なう場合には、これを
装着した取付板をタンク表面から取外して行なうことが
できるので作業性が良く、特に柱上設置形の半導体装置
に適用した場合に効果が大きい。

【００２５】更に請求項２記載の半導体装置の冷却構造
は、タンクの一部を開口して、ここを冷却板で塞ぎ、こ
の冷却板の片面をタンク内側に封入した絶縁油と接触さ
せ、外気に接触する冷却板の他面に、パワー半導体デバ
イスを装着した取付板を接合したので、熱伝導率の高い
冷却板を通してパワー半導体デバイスを更に効率よく冷
却することができる。

【００２６】更に請求項３記載の半導体装置の冷却構造
は、絶縁油と接触する冷却板の片面に、溝またはフィン
を設けて、絶縁油と接触する放熱面積を拡大し、冷却効
率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態による半導体装置の冷却
構造を示す正面図である。

【図２】図１に示すパワー半導体デバイスの冷却構造を
拡大して示す断面図である。

【図３】冷却板の表面に溝を設けたパワー半導体デバイ
スの冷却構造を示す断面図である。

【図４】図３の冷却板の表面を矢印Ａ方向から見た正面
図である。

【図５】冷却板の表面にフィンを突設したパワー半導体
デバイスの冷却構造を示す断面図である。

【図６】図５の冷却板の表面を矢印Ｂ方向から見た正面
図である。

【図７】本発明の他の実施の形態によるタンクの底面の
冷却板にパワー半導体デバイスを取付けた油入変成器の
斜視図である。

【図８】本発明の他の実施の形態によるタンクの下部側
面に段部を設けて、ここに設けた冷却板にパワー半導体
デバイスを取付けた油入変成器の斜視図である。

【図９】本発明の異なる他の実施の形態によるタンクの
底面にパワー半導体デバイスを取付けた油入変成器の斜
視図である。

【符号の説明】

１ 油入変成器 ２ タンク ３ コイル ４ 絶縁油 ５ ラジエータ ６ パワー半導体デバイス ７ 収納箱 ８ 開口部 ９ 取付枠 １０ パッキング １１ 冷却板 １２ 取付板 １３ 溝 １４ フィン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 変成器など絶縁油を封入したタンクの表
   面にパワー半導体デバイスを装着した取付板を取付け
   て、タンクとパワー半導体デバイスを一体化し、パワー
   半導体デバイスの発生熱を前記絶縁油に伝達するように
   したことを特徴とする半導体装置の冷却構造。
2. 【請求項２】 変成器など絶縁油を封入したタンクの一
   部を開口して、ここを冷却板で塞ぎ、この冷却板の片面
   をタンク内側に封入した絶縁油と接触させ、外気に接触
   する冷却板の他面に、パワー半導体デバイスを装着した
   取付板を取付けて、タンクとパワー半導体デバイスを一
   体化し、パワー半導体デバイスの発生熱を前記絶縁油に
   伝達するようにしたことを特徴とする半導体装置の冷却
   構造。
3. 【請求項３】 絶縁油と接触する冷却板の片面に、溝ま
   たはフィンを設けたことを特徴とする請求項２記載の半
   導体装置の冷却構造。