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

平型半導体素子用スタック

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JP2003060161A
JP2003060161A JP2001241599A JP2001241599A JP2003060161A JP 2003060161 A JP2003060161 A JP 2003060161A JP 2001241599 A JP2001241599 A JP 2001241599A JP 2001241599 A JP2001241599 A JP 2001241599A JP 2003060161 A JP2003060161 A JP 2003060161A
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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。
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