JP2003060161A - 平型半導体素子用スタック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は平型半導体素子とヒートシンクを交
互に積層し、弾力的な加圧力を加えて構成した平型半導
体素子用スタックにおける素子の交換を容易に行うこと
が出来るようにした平型半導体素子用スタックを得るこ
とにある。 【解決手段】 平型半導体素子３とヒートシンク４を交
互に積層して構成した、平型半導体素子用スタック１の
平型半導体素子３を交換できるようにする為に、加圧力
を固定できるように加圧力判断部材９０をスタック１と
加圧支持板８Ｂとの間に配置し、また交換する平型半導
体素子３の上下のヒートシンク４間に設けた支柱をテー
パ付きのボルトで持ち上げて平型半導体素子３とヒート
シンク４の間に隙間をつくる構造とした。前記加圧力判
断部材９０は、平型半導体素子交換後の再加圧力を表示
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、平型半導体素子と
ヒートシンクを交互に積層し弾性的な押圧力（加圧力）
を加えてなる平型半導体素子用スタックに係り、特に素
子の交換を容易に行うことができ、また加圧の再設定を
正確に行うことが可能な平型半導体素子用スタックに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子を用いて構成した電力変換装
置は大容量化（高電圧化）の傾向にあり、それに伴い多
数個の半導体素子が用いられるようになってきている。
この電力変換装置は複数個の平型半導体素子と、その平
型半導体素子を冷却するためのヒートシンクを交互に積
層して構成した積層体に弾性的な押圧力を負荷する加圧
機構部、フレームとしてのスタッドボルト及び加圧支持
板等から構成してなる平型半導体素子用スタック（以下
単にスタックと言う）を電力変換装置の回路構成要素と
して多数使用している。

【０００３】以下、電力変換装置に使用している従来の
半導体スタック例を、図１１を用いて説明する。スタッ
ク１は複数個の平型半導体素子３及ぴヒートシンク４を
交互に積層して構成した積層体と、この積層体の両端に
配置した電気回路接続端子となる導体５と、その外側に
絶縁スペーサ６を配置し、一方の端部に設けられるばね
の取付け座も兼ねた球面座９と皿ばね７とこれらを両端
部で支持する加圧支持板８Ａ，８Ｂとスタッドボルト
２、固定ナット１１Ａ、１１Ｂとから構成されている。

【０００４】このように構成された平型半導体素子用ス
タック１に弾性的な加圧力を保持させる方法は２種類あ
る。一つはスタッドボルト２に取付けた固定ナット１１
Ｂを締めて下部の加圧支持板８Ｂを固定した後、図示し
ないプレス機により所定の加圧力を上部の加圧支持板８
Ａに加える方法である。この状態ではスタッドボルト２
には引張力は加わっていない。

【０００５】次に固定ナット１１Ａをプレス機で加圧し
た状態で締め、プレス機の加圧を抜き、プレス機を取り
去る。これによりスタッドボルト２には加圧力の反力と
しての引張力と伸びが生じる。そのため、スタッドボル
ト２の伸び分を見込んで所定の押圧力を加える。

【０００６】もう一つの方法は、スタッドボルト２の固
定ナット１１Ａを規定の締付けトルクで直接加圧するも
のである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】電力変換装置に用いら
れているＧＴＯやＩＧＢＴ、サイリスタ等の平型半導体
素子は、冷却のためのヒートシンクや通電のための導体
と共に数トンという高荷重で加圧して使用するが、素子
の破壊等で故障した場合には素子を交換する必要があ
る。この交換作業は、スタッドによる加圧力を抜いて、
スタックの一部またはその殆どを分解して行なう。

【０００８】分解するまでもない場合は平型半導体素子
とヒートシンクの間に隙間を設け、平型半導体素子を引
き抜いて交換する。この隙間を設けるときに加圧力を抜
いてもスタックのヒートシンクや平型半導体素子の自重
は数十キロありこれを支持するための治具を必要とし
た。

【０００９】また、素子交換は電力変換装置の設置場所
で行なわれるため、サイリスタバルブの場合それが高所
であったり、或いはインバータ等の場合では盤内に取付
けた状態で作業することが多く、そのため作業スペース
が限られ交換作業に用いる装置や冶具を小型軽量にする
必要があった。

【００１０】従来、加圧力はボルトの締付けトルクやば
ねの変位量を直接読んで検出していた。近年、平型半導
体素子は大容量化に伴い直径が大きくなり加圧力も直径
の２乗倍で増大していること等から、確実に加圧でき
て、その加圧力を表示確認できる構造が要求されるよう
になってきている。

【００１１】本発明は、上記点に鑑みてなされたもの
で、積層体の自重を確実に保持でき、素子交換を容易に
行うことができ、また再加圧力を検出し確認することが
できる平型半導体素子用スタックを提供することを目的
とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明における平型半導体素子用スタック
は、対向配置した加圧支持板間に複数個の平型半導体素
子とヒートシンクとを交互に積層した積層体を配置し、
この積層体の両端に導体及び絶縁スペーサを配置し、少
なくとも一方の絶縁スペーサと前記一方の加圧支持板間
に加圧のための弾性体を配置し、前記対向する加圧支持
板間を連結するように設けたスタッドボルトの締め付け
により前記弾性体を圧縮して積層体に加圧力を付加する
と共に前記加圧力を保持するようにし、一端側に設けた
大径球面座が前記積層体に当接し他側が前記弾性体を貫
通するとともに加圧支持板を貫通して外方に突出するね
じ部を有し且つ前記加圧支持板から突出するねじ部に取
り付けられる盤部材を備えた加圧力判断部材を設け、前
記平型半導体素子を挟む一対のヒートシンク間に設けら
れヒートシンクと平型半導体素子の間に隙間をつくる隙
間形成手段を有することを特徴とする。

【００１３】この構成により平型半導体素子の交換を容
易且つ確実に行なうことができる。

【００１４】請求項２の発明における平型半導体素子用
スタックは、請求項１に記載の平型半導体素子用スタッ
クにおいて、加圧力判断部材の盤部材を、側面に目盛り
を付けた目盛盤で構成したことを特徴とする。

【００１５】この構成によれば、ばねの圧縮変位をナッ
トのねじピッチに応じた回転変位として拡大して表示す
ることができるので素子交換後の再スタックにおいて加
圧力を正確に設定することができる。

【００１６】請求項３の発明における平型半導体素子用
スタックは、請求項１に記載の平型半導体素子用スタッ
クにおいて、前記平型半導体素子を挟む一対のヒートシ
ンク間に設けられヒートシンクと平型半導体素子の間に
隙間をつくる隙間形成手段は、平型半導体素子を挟む１
対のヒートシンクの四隅に設けた貫通穴に挿入した支柱
と、ヒートシンク側面に穿った前記貫通穴に直交するね
じ穴にねじ込まれる一部テーパのついたテーパ付ボルト
から成ることを特徴とする。

【００１７】この構成によれば、スタック側面のボルト
をねじ込むとテーパ部のくさび効果で小さな力で平型半
導体素子３とヒートシンクを分離することができる。

【００１８】請求項４の発明における平型半導体素子用
スタックは、請求項１に記載の平型半導体素子用スタッ
クにおいて、平型半導体素子を挟む一対のヒートシンク
間に設けられヒートシンクと平型半導体素子の間に隙間
をつくる隙間形成手段は、平型半導体素子を挟む１対の
ヒートシンクの側面であって且つ対向する側面に夫々取
り付けられる角材と、前記一対のヒートシンク間の対向
する前記角材間に配置される段付ボルトと、この段付ボ
ルトに対して直角方向に前記角材に穿った一部テーパ状
の貫通穴に挿通されヒートシンクにねじ込まれるテーパ
付ボルトとから構成した素子交換冶具であることを特徴
とする。

【００１９】この構成によれば、ボルトをねじ込んだ角
材の側面に一部テーパの付いたボルトをねじ込むことで
角材とねじ込んだボルトのテーパ部のくさび効果により
ヒートシンクと平型半導体素子間に隙間を設け、平型半
導体素子を交換することができる。また、素子交換後は
素子交換冶具を取外すことができるので各種ヒートシン
クに取付け可能である。

【００２０】請求項５の発明における平型半導体素子用
スタックは、請求項１に記載の平型半導体素子用スタッ
クにおいて、ヒートシンクと平型半導体素子との接触面
におけるヒートシンク表面であって平型半導体素子のポ
スト直径の外側に輪状の溝を設けたことを特徴とする。

【００２１】この構成によれば、ヒートシンクは平型半
導体素子のポスト面と常に同じ面積で接触するため良好
な接触状態が再現できるようになる。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１、２は、本発明の第１、第
２、第３の実施の態様を示す図である。図において、ス
タック１は、２本または４本のスタッドボルト２及び固
定ナット１１Ａ、１１Ｂで連結固定される加圧支持板8
Ａ、８Ｂでスタッキングのためのフレームを構成し、こ
のフレームの前記加圧支持板８Ａ、８Ｂの対向面間に複
数個の平型半導体素子３とヒートシンク４とを交互に積
層して構成した積層体の両端部に電気回路接続端子とな
る導体５と絶縁スペーサ６を挟み込む。

【００２３】前記積層体下部の絶縁スペーサ６と加圧支
持板８Ｂ間に、詳細を図２で示す目盛円盤１０がねじ込
まれる球面座９を有する加圧力判断部材９０と皿ばね７
を挿入配置する。

【００２４】図２において加圧力判断部材９０は一側が
絶縁スペーサ６に当接する大径の球面座９と、反当接面
側にねじ部９Ａを一体に設けて構成してあり、このねじ
部９Ａの自由端は皿ばね７及び加圧支持板８Ｂに設けた
貫通穴を貫通して加圧支持板８Ｂの外方に突出してい
る。このねじ部９Ａの外方突出部に、周囲に目盛を刻ん
だ目盛円盤１０をねじ込んでいる。

【００２５】尚、上記実施の態様では、ねじ部９Ａはそ
の全長に亘りねじ部としたが、前記目盛円盤１０が所定
量移動できる範囲内でねじが形成されていればよい。

【００２６】本実施の態様によれば、スタック１への加
圧力付与は例えばスタッドボルト２の固定ナット１１Ｂ
を締めて下部の加圧支持板８Ｂを固定した後、プレス機
により所定の圧力を上部の加圧支持板８Ａに加え、この
状態で固定ナット１１Ａを締め付けることによって与え
られる。即ち下部加圧板８Ｂが皿ばね７を圧縮し、その
反発力が球面座９を介して積層体に与えられる。

【００２７】ここで加圧力が加えられたかどうか判断す
る加圧力判断手段部の説明をする。図２に示すように積
層体が加圧され球面座９を介して皿ばね７が圧縮される
ことにより、球面座９のねじ部９Ａにねじ込まれている
目盛円板１０と加圧支持板８との間に隙間Ｇが生じる。
この隙間Ｇが何ｍｍあるかを測定すれば、前もって確認
されているばねの加圧力―変位特性から、ばね変位＝隙
間として加圧力を求め判断することができる。

【００２８】例えば、目盛円板１０を回転して、この隙
間Ｇを下部加圧支持板８Ｂに接触するまでねじ込む。
今、圧縮変位量が６ｍｍのときの加圧力が６トンの皿ば
ねを用いた場合、ねじピッチが３ｍｍであると、この目
盛円板１０は２回転する。また、この目盛円板１０が６
０度回転すると５００キログラム加圧されることにな
る。

【００２９】このように加圧時に目盛円板１０が加圧支
持板８Ｂに接触するまでねじ込むだけで、スタック組立
時や素子交換時の加圧力のチェックなど、いかなる状態
のときでも加圧力を測定することができる。尚、加圧力
測定後は、積層体の熱膨張収縮による皿ばね７の伸縮を
妨げないように目盛円板１０を所定の位置まで緩めるか
取外しておくのが好ましい。

【００３０】一方、加圧力を固定して平型半導体素子３
に加圧力が加わらないようにする手段部につき説明す
る。この操作は、前記加圧力が加えられたかどうか判断
する手段である図２に示す目盛円板１０を加圧後締め付
けることによって行う。この状態で固定ナットによる加
圧力を抜くと加圧力は皿ばねを圧縮したままスタック内
に固定され、積層体には皿ばねの反力としての圧縮力が
作用しなくなる。

【００３１】前記加圧は、図示しないが上部加圧支持板
８Ａを固定ナット１１Ａを緩めた状態で外部から圧縮
し、目的の加圧力に達した時にナット１１Ａを締めて加
圧力を保持する。一方加圧力を抜く場合は、上部加圧支
持板８Ａを加圧した状態でナット１１Ａを緩めて行う。

【００３２】図３、図４、図５は、ヒートシンク４と平
型半導体素子３の間に隙間をつくる手段の実施の態様を
示す平型半導体素子とヒートシンク部の一部の正面図、
平面図、及び側面図である。

【００３３】図３、図４および図５において、一つの平
型半導体素子３の両側に位置するヒートシンク４の夫々
四隅に互いに対向する貫通穴４０を設けている。この各
貫通穴４０に直交するねじ穴１３０をヒートシンク４の
側面から穿ってある。そしてねじ穴１３０にはテーパ付
ボルト１３がねじ込まれる。

【００３４】１２Ａ、１２Ｂは前記貫通穴４０に夫々挿
入される一端部に丸み加工を施した円弧部を有する支柱
で、この支柱１２Ａ、１２Ｂの前記一端部はテーパ付ボ
ルト１３を所定量ねじ込んだ時にボルト１３のテーパ部
と接触するようになっている。

【００３５】従って更にボルト１３をねじ込んでいくと
これによって支柱１２Ａ、１２Ｂの他端面間が強く当接
するものである。換言すればテーパ付ボルト１３を外す
方向に回動させそのテーパ部が貫通穴４０の位置より外
方に位置してねじ部が貫通穴４０に位置しているときは
支柱１２Ａ、１２Ｂの他端面間は殆ど単に接触している
だけの状態である。

【００３６】上記実施の態様においては特定の平型半導
体素子の両側に位置するヒートシンクに隙間を形成する
ことについて説明したが、各ヒートシンクに同様の構成
を設けるようにしても良いことは勿論である。

【００３７】図３において断面で示す上方のヒートシン
ク４にねじ込まれているテーパ付ボルト１３は、完全に
ねじ込まれている状態を示し、下方のヒートシンク４の
テーパ付ボルト１３はねじ込み初期の状態を示してい
る。

【００３８】前記支柱１２Ａ、１２Ｂが一直線上に当接
したときの全長は、平型半導体素子３をヒートシンク４
間から取り出すに必要な間隔を形成するに充分な長さ即
ち平型半導体素子３に前記間隔分を加算した長さに設定
してある。

【００３９】本実施の態様によれば取り出そうとする平
型半導体素子３の上下のヒートシンク４に支柱１２Ａと
支柱１２Ｂを挿入した後、テーパ付ボルト１３をヒート
シンク４にねじ込むと、ねじ込み初期では支柱１２Ａと
支柱１２Ｂの円弧部はねじ部と接触し、更にねじ込みを
進めると前記支柱の円弧部はボルト１３のテーパ部と接
触する。

【００４０】この状態になるとボルト１３のテーパ部が
支柱１２Ａ、１２Ｂを貫通穴４０から押し出すように力
が作用し、上下のヒートシンク４に挿入した支柱同士が
押されて平型半導体素子３を挟んで配置されているヒー
トシンク４間の間隔を広げようとする。

【００４１】この力によって平型半導体素子３とヒート
シンク４間に隙間ｇが形成され平型半導体素子３を交換
することができる。尚、図５に示すように支柱１２Ａ、
１２Ｂの当接面を凸部と凹部を設けた嵌め合い構造とす
ることで支柱同士の結合を確実なものにし安全な素子交
換作業をすることができる。ここでは直立したスタック
で説明したが横置きのスタックの場合でも同様の効果が
得られる。

【００４２】図６は、ヒートシンクと平型半導体素子３
の間に隙間をつくる手段の異なる実施の形態を示す正面
図で、図７は平面図、図８は側面図である。この実施の
態様では素子交換冶具１６を用いて隙間を形成するもの
である。

【００４３】素子交換冶具１６は、ヒートシンク４の側
面における対向する側面にテーパ付ボルト１３によって
取付けられるが、ヒートシンク４の前記対向する側面に
取付けられる角材１５と、上下の角材１５間に配置され
る段付きボルト１４から構成されている。

【００４４】角材１５の側面には、テーパ付ボルト１３
がねじ込まれる角材１５を貫通するテーパ１３０Ａを有
する貫通穴１３０を設けている。一方角材１５のスタッ
ク締め付け方向には、角材１５を貫通するねじ穴を穿つ
てある。そして対向する角材１５の前記ねじ穴間に段付
ボルト１４を、段付ボルト１４の段部１４Ａが一方のヒ
ートシンク４の上面に当接するようにねじ込んで素子交
換冶具１６が構成される。

【００４５】次に本実施の態様による平型半導体素子３
の取り出しについて説明する。図６、図７、図８は平型
半導体素子３の上下のヒートシンク４に素子交換冶具１
６を取付けた状態を示している。そして図６で、上のヒ
ートシンクに対しては、テーパ付ボルト１３をねじ込み
完了した状態を、下のヒートシンク４にはテーパ付ボル
ト１３を取付けた状態を示したものである。

【００４６】ヒートシンク４と平型半導体素子３との間
に隙間をつくるには、ヒートシンク４の側面にテーパ付
ボルト１３を用いて素子交換冶具１６を位置決めした
後、段付ボルト１４を上下角材１５を押し広げるように
長さをねじ部であわせた後に、テーパ付ボルト１３をヒ
ートシンク側面にねじ込む。

【００４７】これによりテーパ付ボルト１３は角材１５
のテーパ穴１３０に沿ってねじ込まれ、角材１５とこれ
にねじ込まれている段付ボルト１４には上下のヒートシ
ンク４同士を押し広げる力が加わり、ヒートシンク４と
平型半導体素子３の間に隙間ｇをつくる。

【００４８】このようにヒートシンク４のねじ穴に素子
交換冶具１６を側面からねじ込むことで素子交換を行う
ことができる。またヒートシンク４に素子交換冶具１６
をねじで取付けるため脱着可能となる。

【００４９】図９および図１０は本発明による更に他の
実施の態様を示すもので、ヒートシンク４の平型半導体
素子３当接面に輪状の溝１７を設けたものである。輪状
の溝１７の内側の径は平型半導体素子３のポスト径と同
等か少し小さめとし、外形は内径より数ｍｍ大きくして
いる。

【００５０】この構成により、平型半導体素子３とヒー
トシンク４が接触する面が、素子交換後も同じ面で接触
させることができるため圧接分布が変化することなく安
定した圧接状態を得ることができる。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればス
タックに組み込まれた平型半導体素子の素子交換をスタ
ックを分解することなく側面から確実に行うことができ
る。また素子交換後の加圧力を検出し表示できるため、
現地での素子交換後の加圧力を正確に再設定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の平型半導体素子用スタックの構成図。

【図２】図１に記載の平型半導体素子用スタックの加圧
力保持機構部分の拡大図。

【図３】平型半導体素子用スタックの素子交換部分を示
す図。

【図４】図３の素子交換部分の平面図。

【図５】素子交換部分の他の実施の態様を示す側面図。

【図６】素子交換部分の異なる実施の態様を示す構成
図。

【図７】平型半導体素子用スタックの素子交換冶具の取
付け状態を示す平面図。

【図８】図７に記載の平型半導体素子用スタックの素子
交換状態を示す側面図。

【図９】ヒートシンクの実施の態様を示す斜視図。

【図１０】図９に記載の平型半導体素子用スタックのヒ
ートシンクと平型半導体素子とを積層した状態を示す断
面図。

【図１１】従来の平型半導体素子用スタックの構成図。

【符号の説明】

１…スタック ２…スタッドボルト ３…平型半導体素子 ４…ヒートシンク ４０…貫通穴 ５…導体 ６…絶縁スペーサ ７…さらぱね ８Ａ、８Ｂ…加圧支持板 ９…球面座 ９０…加圧力判断部材 １０…目盛円板 １１…固定ナット １２Ａ、１２Ｂ…支柱 １３…テーパ付ボルト １３０…貫通穴 １４…段付ボルト １４Ａ…段部 １５…角材 １６…素子交換治具

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対向配置した加圧支持板間に複数個の平型
   半導体素子とヒートシンクとを交互に積層した積層体を
   配置し、この積層体の両端に導体及び絶縁スペーサを配
   置し、少なくとも一方の絶縁スペーサと前記一方の加圧
   支持板間に加圧のための弾性体を配置し、前記対向する
   加圧支持板間を連結するように設けたスタッドボルトの
   締め付けにより前記弾性体を圧縮して積層体に加圧力を
   付加すると共に前記加圧力を保持するようにし、一端側
   に設けた大径球面座が前記積層体に当接し他側が前記弾
   性体を貫通するとともに加圧支持板を貫通して外方に突
   出するねじ部を有し且つ前記加圧支持板から突出するね
   じ部に取り付けられる盤部材を備えた加圧力判断部材を
   設け、前記平型半導体素子を挟む一対のヒートシンク間
   に設けられヒートシンクと平型半導体素子の間に隙間を
   つくる隙間形成手段を有することを特徴とする平型半導
   体素子用スタック。
2. 【請求項２】前記加圧力判断部材の盤部材は、側面に目
   盛りを付けた目盛盤で構成されている請求項１に記載の
   平型半導体素子用スタック。
3. 【請求項３】前記平型半導体素子を挟む一対のヒートシ
   ンク間に設けられヒートシンクと平型半導体素子の間に
   隙間をつくる隙間形成手段は、平型半導体素子を挟む１
   対のヒートシンクの四隅に設けた貫通穴に挿入した支柱
   と、ヒートシンク側面に穿った前記貫通穴に直交するね
   じ穴にねじ込まれる一部テーパのついたテーパ付ボルト
   から成る請求項１に記載の平型半導体素子用スタック。
4. 【請求項４】前記平型半導体素子を挟む一対のヒートシ
   ンク間に設けられヒートシンクと平型半導体素子の間に
   隙間をつくる隙間形成手段は、平型半導体素子を挟む１
   対のヒートシンクの側面であって且つ対向する側面に夫
   々取り付けられる角材と、前記一対のヒートシンク間の
   対向する前記角材間に配置される段付ボルトと、この段
   付ボルトに対して直角方向に前記角材に穿った一部テー
   パ状の貫通穴に挿通されヒートシンクにねじ込まれるテ
   ーパ付ボルトとから構成した素子交換冶具である請求項
   １に記載の平型半導体素子用スタック。
5. 【請求項５】ヒートシンクと平型半導体素子との接触面
   におけるヒートシンク表面であって平型半導体素子のポ
   スト直径の外側に輪状の溝を設けた請求項１に記載の平
   型半導体素子用スタック。