JP2002016216A - 電子パワーデバイス - Google Patents

電子パワーデバイス

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JP2002016216A
JP2002016216A JP2001150425A JP2001150425A JP2002016216A JP 2002016216 A JP2002016216 A JP 2002016216A JP 2001150425 A JP2001150425 A JP 2001150425A JP 2001150425 A JP2001150425 A JP 2001150425A JP 2002016216 A JP2002016216 A JP 2002016216A
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support plate
power device
electronic power
frame
electronic
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JP2001150425A
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Jacques Cettour-Rose
ジヤツク・セトウール−ローズ
Daniel Fellmann
ダニエル・フエルマン
Alain Petitbon
アラン・プテイボン
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Alstom SA
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Publication date
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    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 インダクタンスの高い寄生スイッチループが
発生し、よってスイッチングに伴う急激な電圧のサージ
が発生するため、こうしたサージに耐えうるよう、パワ
ー素子が過大寸法にされる必要があるという、従来の技
術が抱える問題点を軽減する電子パワー回路を提供す
る。 【解決手段】 一つ以上のパワー素子３１を受ける一面
と、前記パワー素子３１を伝導によって冷却する冷却液
に接触している反対側の面をそれぞれ持つ支持プレート
３を備えており、少なくとも一枚の支持プレート３が、
それに対向して配置され同様のパワー素子３１を備えた
もう一枚の支持プレート３と組み合わされており、二枚
の対向する支持プレート３のパワー素子３１は、互いに
対向して、近接するかたちで配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電子パワーデバイス
に関し、特に、冷却液により冷却される支持プレートに
固定されたパワーチップを備えるデバイスに関する。本
発明の電子パワーデバイスは特に、送出される電流と電
圧値が非常に大きい、鉄道用の配電のためのコンバータ
式回路に用いられる電子デバイスに適する。
【０００２】
【従来の技術】従来の方法では、電子パワー素子（コン
ポーネント）を熱交換器に結合し、セラミックプレート
をこれら二つの素子の間に差し入れて熱交換器を素子か
ら電気的に絶縁することにより、電子パワー素子を冷却
する方法が知られている。例えば、ＦＲ ２ ７７５
４１６は、パワーチップを支持プレートの一面に固定
し、もう一方の面には熱交換器を備える電子パワーデバ
イスを開示している。また、冷却回路の対向する二側面
にそれぞれ支持プレートを配置して支持プレートを対で
組み合わせ、よって熱交換器も互いに対向するかたちで
配置する方法も、同文献によって知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような電
子パワーデバイスでは、インダクタンスの高い寄生スイ
ッチループが発生し、よってスイッチングに伴う急激な
電圧サージが発生するため、こうしたサージに耐えうる
よう、パワー素子が過大寸法（ｏｖｅｒ−ｄｉｍｅｎｓ
ｉｏｎ）にされる必要があるという問題を抱えていた。
当然、このようにパワー素子を過大寸法にすることで、
その製造コストが増大し、大型化してしまうという問題
点もあった。
【０００４】本発明は、上記従来の技術が抱える問題点
を軽減する電子パワー回路を提供することを目的とす
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、一つ以上のパワー素子を受ける一面と、前
記パワー素子を伝導によって冷却する冷却液に接触して
いる裏面をそれぞれ持つ支持プレートを備えた電子パワ
ーデバイスであって、少なくとも一枚の支持プレート
が、それに対向して配置され同様のパワー素子を備えた
もう一枚の支持プレートと組み合わされており、二枚の
対向する支持プレートのパワー素子は、互いに対向し、
近接して配置されていることを特徴とするデバイスを提
供する。
【０００６】個々の実施形態において、電子パワーデバ
イスは、以下の特徴を単独で、もしくは技術的に実行可
能な組み合わせである限りにおいて複数備えることがで
きる。
【０００７】・各支持プレートが、それに対向して配置
され同様のパワー素子を備えたもう一枚の支持プレート
と組み合わされており、該対向する支持プレートのパワ
ー素子は、互いに対向し、近接して配置されている。
【０００８】・前記支持プレートが、絶縁体からなる二
つのフレーム上に配分されており、各フレームは、その
輪郭が前記支持プレートを受けるシートを形成する開口
部を持ち、前記二つのフレームは、それら二つのフレー
ムが二つの対向するフレームの支持プレートと互いに組
み合わせできるように形成されており、この二つの隣接
するフレームの自由な面はそれぞれ、冷却液を供給して
除去する冷却液循環容積及び手段をそれぞれ持つ冷却ボ
ックスを支持する。
【０００９】・前記二つのフレームは互いに同一であ
る。
【００１０】・各支持プレートは、前記支持プレートの
対向する二端からそれぞれ突き出している、少なくとも
一つのエミッタと、少なくとも一つのコレクタを通じて
電気を供給されており、よって、一つの支持プレートに
供給するエミッタが、それと対向する支持プレートに供
給するコレクタと同じ側、かつその近くに配置されてい
る。
【００１１】・前記フレームが、前記エミッタ、前記コ
レクタ、そしてパワー素子を制御する制御回路を支持す
る。
【００１２】・各支持プレートが二つのＩＧＢＴ素子を
支えており、該ＩＧＢＴ素子は、二つのＩＧＢＴ素子の
間に設けられてフレームの一側面から横に突出する共通
のエミッタを提供し、各前記ＩＧＢＴ素子は、フレーム
の他の側面から横に突出している独立したコレクタを持
つ。
【００１３】・銅やアルミニウムなどの熱伝導材のスト
リップが、支持プレートの冷却液に接触する面にろう付
けまたははんだ付けされており、前記ストリップは、前
記液との熱交換を促進するマイクロチャネルを構成する
ひだを持つ。
【００１４】・前記フレームとボックスは、プラスチッ
ク材から作られており、接着剤またはシーリングガスケ
ットを用いて組み立てられている。
【００１５】・前記支持プレートは、アルミニウム窒化
物などの、熱を伝導する絶縁体と、アルミニウムと炭化
ケイ素の複合材などの、熱を伝導し、その膨張係数が絶
縁体のそれと一致する複合材の組み合わせにより作られ
ており、前記絶縁体は、パワー素子と、冷却液に接触す
る前記複合材を支持する。
【００１６】いかなるかたちでもこれに限定しない例を
用い、添付された図面に基づき、以下の本発明の実施形
態を説明することで、本発明の目的、態様、利点がより
明確に理解される。
【００１７】図面の読み取りを容易にするため、本発明
を理解する上で必要な要素のみが図示されている。
【００１８】
【発明の実施の形態】図１は二つのフレーム１を備える
コンバータ用電子パワーデバイスを示し、このフレーム
は、概して長方形であり、それぞれその一面を互いに合
わせ、そのもう一面で各冷却ボックス２を受けることが
できる。この二つのフレーム１は実質的に同一のもので
あり、それらは電気絶縁でありモールド可能な素材、例
えば、ポリフェニレン二酸化物タイプ（ＰＰＯ）のイン
ジェクションモールド可能な樹脂などでできている。
【００１９】図２に示されるように、各フレームは３つ
の開口部１１を備えており、この開口部は、例えば、絶
縁ゲートバイポーラトランジスタタイプ（ＩＧＢＴ）な
どの二つのパワー素子３１がろう付けされている、金属
を被覆したアルミニウム窒化物の支持プレート３をそれ
ぞれ支えている。また、支持プレート３はＩＧＢＴ素子
３１を受ける面とは反対側の面にろう付けされた銅スト
リップ５もそれぞれ備えており、これらの銅ストリップ
５は、図１と図３に図示されているマイクロチャネルを
構成するしわあるいはひだ（ｆｏｌｄ）を持つ。
【００２０】完全に漏電防止された接続を確保するた
め、支持プレート３は開口部１１の内周に対し押圧され
るかたちで、接着剤、任意には間に挿入されたガスケッ
ト（図示されていない）によって支えられている。図示
されていない、異なる実施形態においては、支持プレー
ト３とそれを受ける開口部１１の周囲をより緊密にす
る、例えば、フレーム１を支持プレート３の上にモール
ドすることで、支持プレート３とフレーム１の間に同程
度の優れたシーリング（封止）が得られる。
【００２１】各支持プレート３におけるＩＧＢＴ素子３
１の電力回路供給は、フレーム１に一体化され、それぞ
れフレーム１の対向する二側面から突出している、エミ
ッタ１２とコレクタ１３を用いて行われる。各開口部１
１では、エミッタ１２は、開口部１１の中心を通り、支
持プレート３によって支えられている二つのＩＧＢＴ素
子３１に共通なエミッタとしての働きを持つ各伝導部材
によって構成されている。一端において各エミッタ１２
は接続舌部を持っており、この接続舌部は、フレーム１
の一側面から横に突出し、外部のコネクタ（図示されて
いない）に接続することができるようになっている。各
開口部１１では、コレクタ１３が二つの伝導部材を備え
ており、この伝導部材は、エミッタ１２の接続舌部を受
ける一端からは離れた、開口部１１の一端に位置する。
コレクタ１３はエミッタ１２の両端のいずれかに配置さ
れており、これらは接続舌部を通じてフレーム１の外側
に突出している。
【００２２】制御電流は、ＩＧＢＴ素子のグリッドに接
続し、フレーム１に収容されているプリント回路４を用
いて、ＩＧＢＴ素子３１に供給される。プリント回路４
（図１に示されている）はコネクタ４１を持ち、このコ
ネクタはフレーム１の一面に垂直に配置されており、Ｉ
ＧＢＴ素子を制御するワイヤ（図示されていない）との
接続を可能にする。
【００２３】二つのフレーム１は互いに組み合わせられ
るような相補的な形態を取っており、フレーム１の支持
プレート３が互いに対向し、フレーム１の各支持プレー
ト３に収容されたＩＧＢＴ素子３１が、対向してもう一
方のフレーム１の支持プレート３に収容された同様のＩ
ＧＢＴ素子３１の近隣に配置されるようになっている。
図３に示されるように、一旦二つのフレーム１が組み合
わされると、そこからは銅ストリップ４のマイクロチャ
ネルのみが、各開口部１１から突出する支持プレート３
にろう付けされる、小型のアセンブリが形成される。
【００２４】支持プレート３のマイクロチャネルは、フ
レーム１に適合する二つのボックス２により冷却液と共
に供給され、ボックス２はフレーム１の輪郭に合致する
縁を備えた各側面を持ち、図示されていないシーリング
ガスケットが、各ボックス２とフレーム１の間に挿入さ
れている。
【００２５】図１と図４に示されるように、二つのボッ
クス２はいずれも概して縦長の形状で、フレーム１に対
して縦長に突出する二つのチャネルを備えており、冷却
液の供給と除去を可能にするよう、その一端が開口部２
２に適合している。有利な点としては、ボックス２は、
例えばポリエチリマイドタイプ（ＰＥＩ）などの高分子
材をモールドすることで作られている。
【００２６】このような電子パワーデバイスでは、各支
持プレートに収容されるパワー素子が、対向する支持プ
レートに収容される同様のパワー素子の近くに配置され
ているために、寄生インダクタンスが非常に低くなると
いう長所を持ち、これにより、スイッチングの電圧変化
を大幅に低減することができる。従ってこのようなデバ
イスでは、所定の操作電力に対し電圧変化への耐性がよ
り低い、つまり、より低価格の素子を使用することが可
能であり、また、冷却力向上の可能性を十分に活用する
こともできる。
【００２７】本発明のデバイスはまた、一つの支持プレ
ートに収容されるパワー素子のエミッタを、対向するも
う一方の支持プレートに収容されるパワー素子のコレク
タの近くに配置できるという長所を持ち、従って、これ
により発生する寄生インダクタンスを実質的に解消する
ことができる。
【００２８】更に、マイクロチャネルを形成するひだを
伴い、標準タイプのセラミックプレートにろう付けされ
ている銅ストリップを持つ熱交換器を使用することで、
優れた冷却力を持つパワー素子を、非常に低い製造コス
トで提供することを保障できる。
【００２９】当然、本発明は、純粋に一例として説明、
図示された本実施形態によって、いかなるかたちにおい
ても限定されるものではない。
【００３０】従って、本発明の変形電子デバイスにおい
ては、ひだを持つ銅ストリップを、アルミニウムなどの
他の熱伝導材で作ることもできる。
【００３１】変形実施形態では、支持プレートを、冷却
液に接触した金属層とパワー素子を支持する薄い絶縁層
との組み合わせで構成される複合材で作ることもでき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における電子パワーデバイス
の分解組立斜視図である。
【図２】図１のデバイスのフレームのうち、一つのフレ
ーム上における支持プレートの組み立て方を示す斜視図
である。
【図３】両方のフレームと底部ハウジングが組み合わさ
れている場合の、図１のデバイスを示す拡大斜視図であ
る。
【図４】全構成要素が組み立てられた場合の、図３と同
様の図である。
【符号の説明】
１ フレーム ２ 冷却ボックス ３ 支持プレート ４ 制御回路 ５ ストリップ １１ 開口部 １２ エミッタ １３ コレクタ ２２ 冷却液循環容積及び手段 ３１ ＩＧＢＴ素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アラン・プテイボン フランス国、64000・ポー、リユ・ドウ・ ラ・トウール、７ Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BA05 BB43

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一つ以上のパワー素子（３１）を受ける
    一面と、前記パワー素子（３１）を伝導によって冷却す
    る冷却液に接触している裏面をそれぞれ持つ支持プレー
    ト（３）を備えた電子パワーデバイスであって、少なく
    とも一枚の支持プレート（３）が、それに対向して配置
    され同様のパワー素子（３１）を備えたもう一枚の支持
    プレート（３）と組み合わされており、二枚の対向する
    支持プレート（３）のパワー素子（３１）は、互いに対
    向し、近接して配置されていることを特徴とする電子パ
    ワーデバイス。
  2. 【請求項２】 各支持プレート（３）が、それに対向し
    て配置され同様のパワー素子（３１）を備えたもう一枚
    の支持プレート（３）と組み合わされており、該対向す
    る支持プレート（３）のパワー素子（３１）は、互いに
    対向し、近接して配置されていることを特徴とする、請
    求項１に記載の電子パワーデバイス。
  3. 【請求項３】 前記支持プレート（３）が、絶縁体から
    なる二つのフレーム（１）上に配分されており、各フレ
    ーム（１）は、その輪郭が前記支持プレート（３）を受
    けるシートを形成する開口部（１１）を持ち、前記二つ
    のフレーム（１）は、それら二つのフレーム（１）が二
    つの対向するフレーム（１）の支持プレート（３）と互
    いに組み合わせできるように形成されており、この二つ
    の隣接するフレーム（１）の自由な面はそれぞれ、冷却
    液を供給して除去する冷却液循環容積及び手段（２２）
    をそれぞれ持つ冷却ボックス（２）を支持することを特
    徴とする、請求項１または２に記載の電子パワーデバイ
    ス。
  4. 【請求項４】 前記二つのフレーム（１）は互いに同一
    であることを特徴とする、請求項３に記載の電子パワー
    デバイス。
  5. 【請求項５】 各支持プレート（３）は、前記支持プレ
    ート（３）の対向する二端からそれぞれ突き出してい
    る、少なくとも一つのエミッタ（１２）と、少なくとも
    一つのコレクタ（１３）を通じて電気を供給されてお
    り、よって、一つの支持プレート（３）に供給するエミ
    ッタ（１２）が、それと対向する支持プレート（３）に
    供給するコレクタ（１３）と同じ側、かつその近くに配
    置されていることを特徴とする、請求項１から４のいず
    れか一項に記載の電子パワーデバイス。
  6. 【請求項６】 前記フレーム（１）が、前記エミッタ
    （１２）、前記コレクタ（１３）、そしてパワー素子
    （３１）を制御する制御回路（４）を支持することを特
    徴とする、請求項３に従属する請求項５に記載の電子パ
    ワーデバイス。
  7. 【請求項７】 各支持プレート（３）が二つのＩＧＢＴ
    素子（３１）を支えており、該ＩＧＢＴ素子は、二つの
    ＩＧＢＴ素子（３１）の間に設けられてフレーム（１）
    の一側面から横に突出する共通のエミッタ（１２）を提
    供し、各前記ＩＧＢＴ素子（３１）は、フレーム（１）
    の他の側面から横に突出している独立したコレクタ（１
    ３）を持つことを特徴とする、請求項５または６に記載
    の電子パワーデバイス。
  8. 【請求項８】 銅やアルミニウムなどの熱伝導材のスト
    リップ（５）が、支持プレート（３）の冷却液に接触す
    る面にろう付けまたははんだ付けされており、前記スト
    リップ（５）は、前記液との熱交換を促進するマイクロ
    チャネルを構成するひだを持つことを特徴とする、請求
    項１から７のいずれか一項に記載の電子パワーデバイ
    ス。
  9. 【請求項９】 前記フレーム（１）とボックス（２）
    は、プラスチック材から作られており、接着剤またはシ
    ーリングガスケットを用いて組み立てられていることを
    特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の電
    子パワーデバイス。
  10. 【請求項１０】 前記支持プレート（３）は、アルミニ
    ウム窒化物などの、熱を伝導する絶縁体と、アルミニウ
    ムと炭化ケイ素の複合材などの、熱を伝導し、その膨張
    係数が絶縁体のそれと一致する複合材の組み合わせによ
    り作られており、前記絶縁体は、パワー素子と、冷却液
    に接触する前記複合材を支持することを特徴とする、請
    求項１から９のいずれか一項に記載の電子パワーデバイ
    ス。
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