JP2016500474A - 半導体アセンブリ - Google Patents

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Abstract

半導体モジュール(20a)および冷却器(30a)を有するスタック(38)を備える半導体アセンブリ(10)であって、半導体モジュール(20a)は冷却器(30a)に接触して設けられる半導体アセンブリ(10)。クランピングアセンブリ(40)はスタックの両側面に力(F)を及ぼすように適合される。スタックには、その両側面の間にスルーホール(26、36)が設けられ、クランピングアセンブリ(40)の一部分はスタックのスルーホール(26、36)を通って延びる導電部を備える。これにより、より低いインダクタンスおよびより均一な電流分布などの改善された電気的特性を得つつ、コンパクトな機械的構成が提供される。【選択図】図2

Description

本発明は一般的に半導体アセンブリに関し、より具体的にはプレスパックモジュールを備えた半導体アセンブリに関する。
多くの異なる種類の電気的コンバータは、機械的なスタックの助けを借りて、それらを容易に直列接続するためにプレスパックモジュールを利用し、複数のモジュールが直列に設けられている。プレスパックモジュールは、冷却器または圧力プレートとの間に取り付けられるように作られ、個々のプレスパックモジュールの間に適切な電気的および熱的接触を確保するために、そのスタックに圧力が掛けられている。HVDCコンバータの場合、最大20のモジュールを1スタックに直列接続することができ、および100以上のスタックが完全なコンバータのために必要となり得る。これはそれらのスタックを作成するために多くの、重くかつ時には高価な機械部品が必要とされることを意味する。
従来技術のプレスパックスタックの例が図1に開示されている。この図に見られるように、標準的なスタックは2つ以上のロッドを備え、スタックの周りに均等に広がる。2つのヨークは、スタックを囲むようにスタックの各端部に1つずつ設けられている。さらに、バネパケットがスタック上に圧力を提供するために、スタックの最上部に設けられている。いくつかのプレススタックパックではこのバネパケットが省略され、代わりにバネ力として、その固有の機械的弾性の使用を可能にする特殊なヨークが設けられている。
プレスパックスタックの別の例が、米国特許出願公開US2010/0133676 A1に開示されている。
米国特許出願公開US2010/0133676 A1
本発明の目的は、単純化された機械設計でプレスパックスタックを提供することにある。
本発明によれば、半導体モジュールおよび冷却器を備えるスタックを備える半導体アセンブリが提供され、半導体モジュールは冷却器に接して設けられ、スタックは第1の側面および第2の側面を有し、クランピングアセンブリはスタック上に力を及ぼすように適合され、半導体アセンブリはスタックに第1の側面および第2の側面との間のスルーホールが設けられていることを特徴とし、クランピングアセンブリのその一部がスタックのスルーホールを通って延びており、スタックのスルーホールを通って延びるクランピングアセンブリの一部は、電気を伝導するように構成された導電部を備える。これにより、より低いインダクタンスおよびより均一な電流分布などの改善された電気的特性を得つつ、コンパクトな機械的構成が提供される。
一実施形態では、単一のバスバーが設けられている。これにより、部品の数およびそれによって重量を最小限に抑えている。
一実施形態では、半導体モジュールから導電性のバスバーを電気的に絶縁するために絶縁エレメントが設けられている。このように、スタックの端部はバスバーによって接触させることができる。
一実施形態では、スルーホールがスタックの中央に設けられている。これはスタック上に及ぼされる力が均等に分配されることを確実にし、スタッキングするための機械部品を削減し、それが今度はアセンブリの複雑さおよびコストを削減する。
一実施形態では、半導体モジュールは一般的に平坦であり、第1の平面状の側面および第2の反対側の平面状の側面を有する。これは隣接する冷却器への確実な電気的および熱的な接続でコンパクトなデザインを可能にする。第1および第2の平面状の側面は、モジュール電源接続として機能する場合に特に有利である。
一実施形態では、冷却器は実質的に半導体モジュール(20a)の側面の全領域が冷却器と接触するように配置されている。半導体モジュールの側面の全領域にわたって良好な電気的および熱的接続がそれによって確保される。
一実施形態では、冷却器は導電性であり、そのため半導体モジュールに接続するために使用することができる。
一実施形態では、半導体モジュールおよび冷却器は円形である。これは小さなフットプリント(footprint)でデザインを提供し、またモジュール内の電磁結合の均一性を向上させる。
一実施形態では、クランピングアセンブリはスタックの第1の側面に力を及ぼすように適合された第1のクランピングエレメントおよび、スタックの第2の側面に力を及ぼすように適合された第2のクランピングエレメントを備える。このように、半導体アセンブリは電気機器の一部への、後続する接続のための別個の部品として提供することができる。
一実施形態では、半導体アセンブリは電気機器の一部、好ましくはコンデンサを備え、第1の端部において、バスバーがスタックの第1の側面に電気的に接続され、第2の端部において、電気機器の一部の第1の極に電気的および機械的に接続される。電気機器の一部にクランピングアセンブリを統合することにより、コンパクトなデザインが達成され、導電性経路の長さはアセンブリの電気的特性を向上させるように最小限に保たれる。
一実施形態では、スタックは複数の半導体モジュールおよび複数の冷却器を備え、半導体モジュールの各々は2つの冷却器の間に設けられる。このように、多くの半導体モジュールが1つのスタック内に含まれることができる。
一実施形態では、スタックは2つの半導体モジュールおよび3つの冷却器を備え、好ましくは3つの冷却器の中央に位置する第2の冷却器への電気的接続のために接続が提供される。スタックは次に、例えばインバータ内の位相レグとして動作するように役立つ。この場合、半導体モジュールは絶縁ゲートバイポーラトランジスタなどのような高電圧半導体を備える。
本発明は、添付の図面を参照して一例として説明される。
従来技術のプレスパックスタックを示す。 本発明による簡単なプレスパックスタックの形態での半導体アセンブリの断面図を示す。 図2の半導体アセンブリに備えられる半導体モジュールの横断面上面図を示す。 本発明によるプレスパックスタックの形態での半導体アセンブリの第2の実施形態の側面図を示す。 本発明によるプレスパックスタックの形態での半導体アセンブリの第3の実施形態の部分断面側面図を示す。 コンデンサの形態での電気機器の一部に取り付けられた、本発明によるプレスパックスタックの形態での、半導体アセンブリの第4の実施形態の断面図を示す。 図6のコンデンサの分解斜視図を示す。 アセンブリ後の図7のコンデンサを示す。
以下に、本発明による半導体アセンブリの好ましい実施形態の詳細な説明が行われる。
図1は背景技術の項で説明されており、それ以上本明細書で扱われることはない。
図2は本発明による、一般的に10と指定される半導体アセンブリの断面図を示す。この半導体アセンブリは互いに当接する、すなわち互いに直接物理的に接触または係合する、ただ1つの半導体モジュール20aおよび冷却器30aを備えるプレスパックスタックの簡単な形態である。この半導体モジュール20aは一般的に平坦であり、第1の平面状の側面22および第2の反対側の平面状の側面24を有する。図3を参照すると、円形の半導体モジュール20aの断面図が示され、第1および第2の側面22、24との間の半導体モジュール内に、中央のスルーホール26が設けられている。絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)などの複数の半導体28がモジュール内に設けられており、半導体モジュールの第1および第2の平面状の側面22、24に電気的に接続されており、したがってこれらの側面はモジュール電源接続部として機能する。
再度図2を参照すると、第1の平面状の側面32および第2の平面状の側面34を有する冷却器30aは第1の平面に対向し、半導体モジュール20aの第1の側面に当接または係合する。冷却器30aには反対側の平面状の側面との間に中央のスルーホール36が設けられており、その孔は半導体モジュール20aのスルーホール26と整列される。冷却器は良好な電気的および熱的伝導性を有しており、つまり、冷却器は銅またはアルミニウムなどの良好な導電性を有する材料からなることが好ましく、水などの冷却剤(図示せず)のためのチャネルが冷却器の内部に設けられている。冷却器30aは、半導体モジュール20aの第1の側面22全体にわたって半導体モジュール20aおよび冷却器30aとの間の電気的および熱的伝導性を確保するために、半導体モジュール20aの直径に等しいかまたはそれを超える直径を有する円形である。
半導体モジュール20aおよび冷却器30aは一般的に38と指定されるスタックを一緒に形成している。
一般的に40と指定されるクランピングアセンブリはスタック38上に、この場合には半導体モジュール20aに向かう方向で冷却器30aの第1の側面32に力Fを及ぼすように適合されており、これにより冷却器30aはヨークとして作用する。このように、クランピングアセンブリ40は半導体モジュール20aのスルーホール26および冷却器30aのスルーホール36を通って延びている。スルーホール26、36を通って延びる部分は導電性のバスバー42であり、ナット44aの形態でのクランピングエレメントがねじ切りされた第1のねじ付き端部42a、および第1の端部42aとは反対側の第2の端部42bを有している。導電性バスバーはアルミニウムロッドまたは代替的にアルミニウムのジャケットを有する中央のスチールロッドであってもよい。本実施形態ではバスバーの形態での導電部を備えているが、スルーホールを通って延びる導電部は、バーまたはストリップなどの多くの異なる形態で具現化することができ、インバータ、変電器、バッテリバンク(battery bank)またはその他の電気機器内に電気を通す。
半導体モジュール20aは、図中の破線で示した固定面上の第2の側面24に載っていることが想定される。この固定面は後述するように他の冷却器、追加のヨーク、または電気機器の表面であってもよい。このように、ナット44aが締め付けられた際に、下向きの力Fがヨークまたは冷却器30aに及ぼされる。ヨークまたは冷却器30aは剛性であるので、この力は半導体モジュール20aに伝達される。第2の側面24がその当接する固定面のため半導体モジュール20aは取って代わることができないので、半導体モジュール20aおよび冷却器30aはそこの間の良好な電気的および熱伝導性を確保しつつ、互いに密接に押し込まれる。
半導体アセンブリの第2の実施形態について図4を参照して説明がされる。この実施形態では、複数のすなわち4つの半導体モジュール20a、20b、20c、20dはスタック内に設けられている。対応して、複数の冷却器すなわち5つの冷却器30a、30b、30c、30d、30eは、半導体モジュール20a−20dの各々が冷却器30a−30eの2つの間に設けられるように設けられている。図中に示すように、第1の上側端部と第2の反対側の下側端部とを有するスタック38内に、半導体モジュール20a−20dおよび冷却器30a−30eは交互に配置されていることを意味する。
クランピングアセンブリ40は、第1の上側ねじ付き端部42aおよび第2の下側ねじ付き端部42bを有するバー42を備える。第1のナット44aの形態での第1のクランピングエレメントは、バーの第1の端部42aに螺着され、第2のナット44bの形態での第2のクランピングエレメントはバーの第2の端部42bに螺着される。
バネパッケージ46は図に示すように、第1のナット44aおよび第1の最上部の冷却器30aとの間に配置される。バネパッケージは複数のカップバネから構築されるものとして示されているが、バネの他の形態が設けられてもよいことが理解されるであろう。
第1のヨーク絶縁エレメント48aは、バネパッケージ46および第1の冷却器30aとの間に、その間の電気的絶縁を提供するように設けられている。対応して、第2のヨーク絶縁エレメントは、第2のナット44bおよび最下部冷却器30eとの間に、その間の電気的絶縁を提供するように設けられている。
接続(図示せず)が、半導体モジュール20a−20dおよび必要に応じて1つ以上の冷却器30a−30eに電気的接続のために設けられている。
半導体アセンブリ10はこの実施形態では、図2に示す実施形態のように任意の固定面に依存することなく、クランピングアセンブリ40によって一緒に保持される。この半導体アセンブリがコンデンサまたは変圧器などの電気機器の一部に、取り外し可能に取り付けられてもよいことを意味する。
半導体アセンブリの第3の実施形態について図5を参照して説明がされる。この実施形態では、複数のすなわち2つの半導体モジュール20a、20bがスタック38内に設けられている。対応して、複数の冷却器すなわち3つの冷却器30a、30b、30cは、半導体モジュール20a、20bの各々が、冷却器30a−30cの2つの間に設けられるような方法で設けられている。またこの実施形態では、半導体モジュール20a、20bおよび冷却器30a−30cは図に示すように、第1の上側端部および第2の反対側の下側端部を有するスタック38内に交互に配置されていることを意味する。
クランピングアセンブリ40は、上側ねじ付き端部42aを有するバー42を備える。バー42の下側端部42bは、コンデンサなどの電気機器の一部に取り付けられる。ナット44aの形態のクランピングエレメントはバーの上側端部42aに螺着される。
図4に示したものと同様のバネパッケージ46は図に示すように、第1のナット44aおよび第1の最上部の冷却器30aとの間に配置される。バネパッケージ46は、第1の最上部の冷却器30aに直接力を及ぼし、この実施形態ではヨークとして機能する。図4に示すヨーク絶縁エレメントはこの実施形態では省略されている。
この実施形態では、冷却器および半導体モジュールのスタックは断面で示されており、絶縁エレメント50は中央バー42を半導体モジュール20a、20bから電気的に絶縁するために設けられている。絶縁エレメント50はまた、負のDC接続または端子「−DC」および正のDC接続または端子「+DC」を互いに電気的に絶縁する。しかしながら、絶縁エレメント50は、バネパッケージ46までずっと拡張するのではなく、第1の最上部の冷却器30aはバー42と電気的に接続していることを意味する。バー42は、この場合バスバーとして機能し、および負のDC接続と電気的に接続され、第1の最上部の冷却器30aと直接電気的に接続されているため、またこの第1の冷却器が同電位すなわち「−DC」であることを意味する。
電気的絶縁手段62は、負のDC接続または端子「−DC」および、正のDC接続または端子「+DC」との間に、これらを互いに電気的に分離するために設けられている。
最上部および最下部の冷却器30a、30cの形態での接続は、半導体モジュール20a、20bへの電気的接続のために設けられている。
位相接続は、中央の第2の冷却器30bへの電気的接続のために設けられ、電気的にバスバー42から絶縁され、半導体モジュール20a、20bの動作に依存して電位「−DC」または「+DC」となる。この実施形態では、半導体アセンブリ10は、したがって、HVDCコンバータなどのコンバータの位相電圧を供給するのに適している。
半導体アセンブリの第4の実施形態について図6−図8を参照して説明がされる。この実施形態では、複数のすなわち2つの半導体モジュール20a、20bはスタック38内に設けられている。対応して、複数の冷却器すなわち3つの冷却器30a、30b、30cは、半導体モジュール20a、20bの各々が、冷却器30a−30cの2つの間に設けられるような方法で設けられている。このことは、この実施形態でも、半導体モジュール20a、20bおよび冷却器30a−30cは図に示すように、第1の上側端部および第2の反対側の下側端部とを有するスタック38内に交互に配置されていることを意味する。
クランピングアセンブリ40は上側ねじ付き端部42aを有するバー42を備える。ナット44aの形態でのクランピングエレメントは、バスバーとして作用するバー42の上側端部42aに螺着される。バー42の下側端部42bは、好ましくはねじ継手によってコンデンサ60での形態で電気機器の一部に取り付けられ、コンデンサは電気的接続の1つに電気的に接続されたねじ山で設けられている。
カップバネの形態でのバネパッケージ46は図に示すように、ナット44aおよび第1の最上部の冷却器30aとの間に配置される。バネパッケージ46は、専用のヨーク49およびヨーク絶縁エレメント48aを介して第1の最上部の冷却器30aに力を及ぼし、すなわちヨークは冷却器として機能していない。
バスバー42には、半導体モジュール20a、20bからバスバー42を電気的に絶縁するためにバスバー絶縁50が設けられている。
コンデンサ60のデザインが説明される。コンデンサケースの前面60aは複数の端子または極を提示し、「−DC」とラベル付けされ、かつコンデンサの第1の極と呼ばれる第1のセット、および「+DC」とラベル付けされ、かつコンデンサの第2の極と呼ばれる第2のセットである。端子の第1のセットはコンデンサ60のケースと通常は同電位である。
特に図7および8を参照すると、ラミネート62での形態の絶縁シートがコンデンサ60の前面60aに設けられ、ほぼこの前面60aを覆う大きさを有している。第1の開口部62aは端子「+DC」の第2のセットのためにラミネート62内に設けられ、第2の中央開口部62bはバスバー42のために設けられている。ラミネート62は電気絶縁材料で作られる。
ラミネート62の前、すなわち外側に、シートメタルなどの導電性材料の導電性シート64が設けられている。第1の開口部64aは端子「+DC」の第2のセットのために導電性シート64に設けられており、第2の中央開口部64bはバスバー42のために設けられている。しかしながら、導電性シートの中央開口部64bの直径はバスバー42の直径よりもそれらの間に電気的絶縁を確保するために実質的に大きい。導電性シート64は最も内側の冷却器30cと密着するようになっている中央開口部64bの周囲に円形領域64cで設けられている。
アセンブリ中に、ラミネート62は端子「+DC」の第2のセット上に装着され、導電性シート64も次に端子のこの第2のセット上に装着される。端子「+DC」の第2のセットおよび導電性シート64との間の電気的および機械的接続は、はんだ付け、ろう付けまたはボルト締め等によって提供される。バスバー42は次に、バスバー42に電位「−DC」を提供するコンデンサ60にねじ止めまたは他の方法で取り付けられる。図4に示す別の部分は次に図4に示すように、最も内側から最も外側の順にバスバー42に螺着されナット44aで終端され、所望の力が冷却器および半導体モジュールのスタック上に及ぼされるまたは油圧力などの力を印加されるまで、バスバー42のねじ付き外側端部42aに螺合され、バネをロックするためにナットが回される。
制御部70および半導体モジュール20a、20bとの間を電気的に接続するために接続が設けられている。
位相接続は中央の第2の冷却器30bへの電気的接続のために提供され、バスバー42から電気的に絶縁され、半導体モジュール20a、20bの動作に依存して、電位「−DC」または「+DC」となる。この実施形態では、したがって半導体アセンブリ10はHVDCコンバータなどのコンバータの位相電圧を供給するのに適している。
半導体アセンブリの好ましい実施形態が記載されている。これらは本発明の概念から逸脱することなく、添付の特許請求の範囲により定義される範囲内で変更されることが理解されるであろう。
コンデンサなどの電気機器の一部は、ラミネートの形態での絶縁シートで記載されている。この概念は本明細書に記載の本発明の半導体アセンブリのみに限らず、図1に示す従来のプレスパックスタックを備えるアセンブリなどの他のアセンブリにも適用可能であることが理解されるであろう。
図面には特定の極性が定められているが、本発明の概念から逸脱することなく、任意の電圧および電流が半導体アセンブリに適用できることが理解されるであろう。
記載される好ましい実施形態では、半導体モジュールおよび冷却器は円形である。本発明の概念から逸脱することなく、これらの部品の形状が、例えば四角形または六角形などのように円形から変化してもよいことが理解されるであろう。
ラミネートが説明されており、端子の第2のセットに装着されているように示されている。他の実施形態では、ラミネートは電気機器の一部のハウジングの内部または外側に取り付けられてもよい。
バスバーのための導電性シートが設けられている中央開口部は、電気的絶縁を達成するためにバスバー自体の直径よりも実質的に大きいものとして記載されている。この絶縁体はまた、例えば電気的絶縁性接着剤を用いて封止するなどの他の手段により達成することができる。

Claims (24)

  1. 半導体モジュール(20a)および冷却器(30a)を備えるスタック(38)であって、前記半導体モジュール(20a)は前記冷却器(30a)に接触して設けられ、前記スタックは第1の側面および第2の側面を有する、スタック(38)と、
    前記スタック上に力(F)を及ぼすように適合されるクランピングアセンブリ(40)と、を備える半導体アセンブリ(10)であって、
    前記スタック(38)には、前記第1の側面(22)と第2の側面(24)との間にスルーホール(26、36)が設けられており、前記クランピングアセンブリ(40)のその一部は、前記スタックの前記スルーホール(26、36)を通って延びており、
    前記クランピングアセンブリ(40)の前記一部は、電気を伝導するように構成された導電部(42)を備える、前記スタックの前記スルーホール(26、36)を通って延びる、ことを特徴とする、半導体アセンブリ。
  2. 前記スタック(38)の、前記スルーホール(26、36)を通って延びる前記クランピングアセンブリ(40)は、単一のバスバー(42)を備える、請求項1に記載の半導体アセンブリ。
  3. 前記導電部(42)を、前記半導体モジュール(20a)から電気的に絶縁するために設けられた絶縁エレメント(50)を備える、請求項1または2に記載の半導体アセンブリ。
  4. 前記スルーホール(26、36)が前記スタック(38)の中央に設けられている、請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体アセンブリ。
  5. 前記半導体モジュール(20a)は一般的に平坦であり、第1の平面状の側面(22)および第2の反対側の平面状の側面(24)を有する、請求項1から4のいずれか一項に記載の半導体アセンブリ。
  6. 前記半導体モジュール(22)の前記第1および第2の平面状の側面(24、26)はモジュール電源接続として機能する、請求項5に記載の半導体アセンブリ。
  7. 前記冷却器(30a−30e)は、実質的に前記半導体モジュール(20a)の側面の全領域で冷却器と接触するように配置される、請求項1から6のいずれか一項に記載の半導体アセンブリ。
  8. 前記冷却器(30a)は導電性である、請求項1から7のいずれか一項に記載の半導体アセンブリ。
  9. 前記半導体モジュール(20a)および冷却器(30a)は円形である、請求項1から8のいずれか一項に記載の半導体アセンブリ。
  10. 前記クランピングアセンブリ(40)は、前記スタックの第1の側面上に力を及ぼすように適合される第1のクランピングエレメント(44a)と、前記スタックの第2の側面上に力を及ぼすように適合される第2のクランピングアセンブリ(44b)とを備える、請求項1から9のいずれか一項に記載の半導体アセンブリ。
  11. 電気機器(60)の一部を備え、前記導電部(42)は第1の端部(42a)において前記スタック(38)の前記第1の側面に電気的に接続され、第2の端部(42b)において前記電気機器(60)の一部の第1の極(−DC)に電気的および機械的に接続される、請求項1から9のいずれか一項に記載の半導体アセンブリ。
  12. 前記電気機器(60)の一部はコンデンサである、請求項1に記載の半導体アセンブリ。
  13. 前記スタック(38)は複数の半導体モジュール(20a−20d)および複数の冷却器(30a−30e)を備え、前記半導体モジュールの各々(20a−20d)は前記冷却器(30a−30e)の2つの間に設けられている、請求項1から12のいずれか一項に記載の半導体アセンブリ。
  14. 前記スタック(38)は2つの半導体モジュール(20a、20b)および3つの冷却器(30a−30c)を備える、請求項13に記載の半導体アセンブリ。
  15. 前記3つの冷却器の中央に位置する第2の冷却器(30b)への電気的接続のために設けられた接続を備える、請求項14に記載の半導体アセンブリ。
  16. 前記クランピングアセンブリ(40)は前記クランピングアセンブリの第1の端部(42a)においてバネパッケージ(46)を備える、請求項1から15のいずれか一項に記載の半導体アセンブリ。
  17. 前記半導体モジュール(20a−20d)は高電圧半導体を備える、請求項1から16のいずれか一項に記載の半導体アセンブリ。
  18. 前記半導体モジュール(20a−20d)は絶縁ゲートバイポーラトランジスタを備える、請求項17に記載の半導体アセンブリ。
  19. 前面(60a)に複数の端子(−DC、+DC)を有し、バスバー(42)を受けるための手段を備える、電気機器の一部(60)。
  20. バスバー(42)を受けるための前記手段はねじ山を備える、請求項19に記載の電気機器(60)の一部。
  21. バスバー(42)を受けるための前記手段は前記電気機器(60)の一部の電気的接続に電気的に接続される、請求項19または20に記載の電気機器(60)の一部。
  22. 前記電気機器(60)の一部はコンデンサである、請求項19から21のいずれかに記載の電気機器(60)の一部。
  23. 前記前面(60a)上に設けられた絶縁シートを備える、請求項19から22のいずれかに記載の電気機器(60)の一部。
  24. バスバーを受けるための前記手段に接続された請求項1から18のいずれか一項に記載の半導体アセンブリを備える、請求項19から23のいずれかに記載の電気機器(60)の一部。
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