JP2904939B2 - ヒートパイプ式半導体スタック - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば電力用半導体
素子を使用したインバータのような電力変換装置に用い
るヒートパイプ式半導体スタックに関する。

【０００３】

【従来の技術】例えばインバータのような電力変換装置
に用いられる半導体素子は、その半導体素子自体の発熱
を効率良く大気へ放散する冷却器を必要とする。そし
て、その冷却器の種類は、半導体素子の発熱量の違いに
より異なり、放熱フィンのフィン間の空気の自然対流に
より冷却を行う自然冷却方式、放熱フィンをブロアなど
により強制的に冷却する強制風冷方式、冷媒の気液相変
化の際の熱輸送を利用した沸騰冷却方式などが用いられ
ている。

【０００４】このうち、沸騰冷却方式は、冷却効率が高
く、半導体素子の大容量化、装置の小型化などの要求に
より、広く採用されてきているが、冷媒液を封入するた
めの容器には、高い信頼性が要求され、その製造技術も
特殊なものであることから、近年は、冷媒液の相変化を
利用した高い冷却効率を持つ利点をそのまま活かし、従
来の高い信頼性の要求される冷媒液の封入される密閉容
器を必要としないヒートパイプ冷却方式が採用されるよ
うになってきている。

【０００５】図８は、一般的な電力変換装置としてのイ
ンバータの１相分のアーム回路を示しており、図９〜図
１１はこのようなインバータに使用されるヒートパイプ
式半導体スタックの従来例を示している。

【０００６】図８に示すように、インバータの１相分の
アーム回路は、一般的に、主スイッチング半導体素子と
しての自己消弧型素子であるゲートターンオフサイリス
タ（ＧＴＯ）１と、それに逆並列に接続されるフライホ
ィールダイオード（ＦＤ）２と、スナバー回路を構成す
るスナバーダイオード３、スナバーコンデンサ４および
スナバー抵抗５とから構成される回路を２つ分、互いに
直列に接続することにより構成される。

【０００７】従って、図８では、ＧＴＯ１、フライホィ
ールダイオード２、スナバーダイオード３、スナバーコ
ンデンサ４、スナバー抵抗５により構成される回路と、
ＧＴＯ１′、フライホィールダイオード２′、スナバー
ダイオード３′、スナバーコンデンサ４′、スナバー抵
抗５′によって構成される回路とから１相分のアーム回
路が構成されている。ここで、スナバーダイオード３′
とスナバーコンデンサ４′とスナバー抵抗５′によって
構成されるスナバー回路は、スナバーダイオード３′と
スナバーコンデンサ４′とのいずれをプラス側に配置し
てもスナバー回路が構成できるので、図８では、ＧＴＯ
１′のスナバー回路は、ＧＴＯ１のスナバー回路とはス
ナバーダイオード３′、スナバーコンデンサ４′の配列
を逆にした回路構成としている。

【０００８】そして、このような一般的な電力変換装置
において、１相分のアーム回路に対する冷却のためのヒ
ートパイプ式冷却器を使用した従来のヒートパイプ式半
導体スタックは、図９〜図１１に示すような構成であ
る。

【０００９】すなわち、ヒートパイプ式冷却器６とＧＴ
Ｏ１，１′、フライホィールダイオード２，２′とが交
互に直列に積層され、軸方向に圧接されている。そし
て、スナバーダイオード３，３′は発熱量が他の半導体
素子と比較して小さいので、ヒートパイプ式冷却器６を
構成する沸騰部ブロック７に接続された導体８に取り付
けられ、それぞれ、ＧＴＯ１，１′とスナバーダイオー
ド３，３′間の配線長を短くし、低インダクタンス化を
図っている。また、スナバーコンデンサ４，４′、スナ
バー抵抗５，５′も、この半導体スタックの近くに配置
され、低インダクタンスのスナバー回路を構成するよう
にしている。

【００１０】さらに、それぞれの沸騰部ブロック７に接
続された導体８の間は、接続導体９により接続されてい
て、図８に示す１層分のアーム回路が実現されている。

【００１１】一方、ヒートパイプ式冷却器６は、前述の
沸騰部ブロック７と放熱部１０とに分かれていて、絶縁
管１１によりその両側が絶縁された数本のヒートパイプ
１２が沸騰部ブロック７と放熱部１０を接続し、熱輸送
を行うようになっている。そして、放熱部１０は、大気
へ熱を効率良く放散するために、装置の外部に配置さ
れ、半導体素子の圧接される沸騰部ブロック７は、汚損
を少なくするために装置の内部に収容される。

【００１２】なお、このような従来のヒートパイプ式半
導体スタックでは一般に、フライホィールダイオード
２，２′の発熱量が、ＧＴＯ１，１′の発熱量に比べて
小さいことから、半導体スタックの小型化のために、ヒ
ートパイプ式冷却器６がフライホィールダイオード２，
２′の片側では省略されることが多い。

【００１３】このような従来のヒートパイプ式半導体ス
タックでは、ＧＴＯ１，１′、フライホィールダイオー
ド２，２′の厚みと、沸騰部ブロック７の厚みとから放
熱部１０のスペースは制限されてしまい、ヒートパイプ
式冷却器６の性能も制限を受けてしまう問題点があっ
た。

【００１４】そこで、これを解決するために、図１１に
示すように、スペーサ１３を沸騰部ブロック７とＧＴＯ
１，１′との積層部に直列に挿入することにより、放熱
部１０の大きさの制限を無くすようにし、スペーサ１３
の長さを適当に選ぶことにより放熱部１０の放熱性能を
向上させるようにした構成のものも提案されている。

【００１５】しかしながら、このような従来のヒートパ
イプ式半導体スタックでは、スペーサ１３の挿入により
装置全体としての形状が大型化することになる問題点が
あった。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
ヒートパイプ式半導体スタックでは、装置の小型化を図
ろうとすると冷却性能が十分にとれず、逆に冷却性能を
上げようとすると装置が大型化してしまう問題点があっ
た。

【００１７】一般に、電力変換装置は、電力変換用半導
体素子とフライホィールダイオードとは交互に発熱する
回路であり、例えば、図８に示すようなインバータの場
合には、力行時にはＧＴＯ１，１′が主に発熱し、回生
時にはフライホィールダイオード２，２′が主に発熱す
る特性を持っている。

【００１８】ところが、ヒートパイプ式冷却器では、熱
時定数が小さいために、上述のような間欠的に発熱され
る場合、浸漬式沸騰冷却方式のような熱時定数の大きな
冷却方式とは異なり、最大発熱時に合わせた大きさの装
置が必要であり、放熱部を各半導体素子ごとに個別に設
けるようにしていたために、全体として熱時定数が小さ
くて、装置の大型化が避けられない問題点となってい
た。

【００１９】この発明は、このような従来の問題点に鑑
みなされたもので、半導体素子が電力変換用とフライホ
ィールダイオード用とで交互に発熱作用が起きることに
着目し、これらの沸騰部ブロックを共用するようにし、
２つを１つにまとめることにより放熱部の容積を大きく
とれるようにして熱時定数を実質的に大きくし、小型で
も熱冷却効率の良いヒートパイプ式半導体スタックを提
供することを目的とする。

【００２０】［発明の構成］

【００２１】

【課題を解決するための手段】この発明は、電力変換用
半導体素子として自己消弧型素子と、これと逆並列に接
続されるフライホィールダイオードと、スナバーダイオ
ードを含むスナバー回路とより構成されるアーム回路を
直列に接続することにより構成される電力変換装置をヒ
ートパイプ式冷却器により冷却するように組み立てられ
るヒートパイプ式半導体スタックにおいて、１個のヒー
トパイプ式冷却器の沸騰部ブロックの片側に１個のアー
ム回路を構成する自己消弧型素子とフライホィールダイ
オードとを取り付け、前記沸騰部ブロックの他方の側に
前記１個のアーム回路と直列に接続される他の１個のア
ーム回路を構成する自己消弧型素子とフライホィールダ
イオードとを取り付け、交互に発熱する前記自己消弧型
素子とフライホィールダイオードの平均的な発熱量に見
合った大きさの放熱部を前記沸騰部ブロックに接続した
ものである。

【００２２】また、この発明のヒートパイプ式半導体ス
タックは、沸騰部ブロックの片側と他方の側とに、それ
ぞれの側に取り付けられたアーム回路に属するスナバー
回路に含まれるスナバーダイオードを取り付けるように
することもできる。

【００２３】

【作用】この発明のヒートパイプ式半導体スタックで
は、１個のヒートパイプ式冷却器の沸騰部ブロックの片
側に１個のアーム回路を構成する自己消弧型素子とフラ
イホィールダイオードとを取り付け、前記沸騰部ブロッ
クの他方の側に前記１個のアーム回路と直列に接続され
る他の１個のアーム回路を構成する自己消弧型素子とフ
ライホィールダイオードとを取り付け、さらに、これら
の自己消弧型素子とフライホィールダイオードの発熱量
に見合う大きさの放熱部を前記沸騰部ブロックに接続す
ることにより、交互に発熱する自己消弧型素子とフライ
ホィールダイオードのいずれの発熱に対してもヒートパ
イプを用いて効率良く放熱部から放散させることができ
る。

【００２４】しかも、これら自己消弧型素子とフライホ
ィールダイオードとは交互に発熱し、同時に発熱するこ
とがないために、これらの素子のうちの発熱量の大きい
方の素子の発熱量に見合う放熱部を１つ設けるだけで済
み、従来よりも放熱部の容積を小さくすることができ
る。

【００２５】

【実施例】以下、この発明の実施例を図に基づいて詳説
する。

【００２６】図１および図２は、この発明の一実施例を
示しており、ヒートパイプ式冷却器６は、沸騰部ブロッ
ク７がヒートパイプ１２の軸方向に比較的長くなってお
り、その沸騰部ブロック７の片面に、アーム回路を構成
するＧＴＯ１とそれに逆並列に接続されるフライホィー
ルダイオード（ＦＤ）２を並べ、沸騰部ブロック７の反
対側の面に、別のアーム回路を構成するＧＴＯ１′とフ
ライホィールダイオード２′を並べ、各々が沸騰部ブロ
ック７に圧接するように取り付けてある。すなわち、Ｇ
ＴＯ１とＧＴＯ１′、フライホィールダイオード２とフ
ライホィールダイオード２′がそれぞれ沸騰部ブロック
７を挟んで圧接した状態に組み立てられている。

【００２７】また、沸騰部ブロック７に接続された導体
８の両側に、それぞれスナバーダイオード３，３′を取
り付け、さらに、ＧＴＯ１とフライホィールダイオード
２の沸騰部ブロック７に直接押圧されない側の片面に
は、接続導体９を接続してある。

【００２８】なお、スナバーダイオード３，３′の近く
に、スナバーコンデンサ４，４′とスナバー抵抗５，
５′とを配置することにより、低インダクタンスのスナ
バー回路を構成することになる。

【００２９】次に、上記の構成のヒートパイプ式半導体
スタックの動作について説明する。

【００３０】この電力変換装置はＧＴＯ１とフライホィ
ールダイオード２、またＧＴＯ１′とフライホィールダ
イオード２′とが交互に発熱する回路構成であり、ＧＴ
Ｏ１，１′が主に発熱しているときには、沸騰部ブロッ
ク７はこれらの素子からの熱を受熱し、ヒートパイプ式
冷却器６のヒートパイプ１２によって放熱部１０へ熱輸
送し、放熱部１０では大気へ熱を放散する。

【００３１】このとき、フライホィールダイオード２，
２′の発熱は、ＧＴＯ１，１′に比べて小さいので、こ
のときにヒートパイプ式冷却器６は主にＧＴＯ１，１′
の冷却に寄与している。

【００３２】フライホィールダイオード２，２′が主に
発熱しているときには、これらの素子からの発熱も同様
にして、沸騰部ブロック７が受熱してヒートパイプ１２
によって放熱部１０へ熱輸送し、放熱部１０から大気へ
放散する。

【００３３】このとき、ＧＴＯ１，１′からの発熱はフ
ライホィールダイオード２，２′に比べて小さく、ヒー
トパイプ式冷却器６は主にフライホィールダイオード
２，２′の冷却に寄与している。

【００３４】このようにして、図８に示す１相分のアー
ム回路では、ＧＴＯ１，１′とフライホィールダイオー
ド２，２′とが交互に発熱するのであるが、図１および
図２に示す実施例のヒートパイプ式半導体スタックで
は、ヒートパイプ式冷却器６に連続的に平均した熱負荷
がかかり、常に沸騰部ブロック７はその冷却能力に適し
た熱量を受熱し、また、ヒートパイプ１２もその熱輸送
能力に適した熱量を連続的に輸送し、放熱部１０もその
放熱能力に適した熱量を連続的に放熱することができ
る。

【００３５】以上のようにして、この実施例のヒートパ
イプ式半導体スタックによれば、１相分の自己消弧型半
導体素子ＧＴＯ１，１′とフライホィールダイオード
２，２′とが１つのヒートパイプ式冷却器６によって冷
却できるので、それぞれの半導体素子が交互に発熱する
間欠発熱負荷を効率良く大気へ放散することができ、小
型であっても、ヒートパイプ式冷却器の熱時定数が小さ
いという欠点を補いながら効果的にヒートパイプ冷却を
行うことができる。

【００３６】また、放熱部１０はヒートパイプ式冷却器
６が直列に並ぶことがなく、１個でインバータの１相分
を構成することができ、半導体スタックの圧接機構部ま
でを含めたスペースを有効に活用し、放熱部の放熱効果
を高くすることができる。

【００３７】加えて、半導体素子ＧＴＯ１，１′とフラ
イホィールダイオード２，２′とを接続する接続導体９
を単純な形状にすることができ、この接続導体９が半導
体スタックの形状を大きくする要因となることがなく、
さらに、アーム回路の配線長も短くなって、アーム回路
の低インダクタンス化が図れる。

【００３８】さらに、ＧＴＯ１，１′とフライホィール
ダイオード２，２′とは、従来のように積層、圧接させ
て半導体スタックとする構造ではなく、個別にヒートパ
イプ式冷却器６の沸騰部ブロック７に取り付ける構造で
あるために、これらの半導体素子の圧接力を違えて取り
付けることができるようになり、強度的な見地から、半
導体素子を選定するときの自由度が大きい。

【００３９】また、半導体スタックの長さが短くできる
ために、振動条件の厳しい環境下でも、振動による半導
体スタックの軸の変位が抑えられ、半導体素子圧接面に
は常に均等に荷重がかかった状態を維持しやすくなり、
半導体素子内部で良好に通電することができる。

【００４０】さらにまた、半導体スタックが小型軽量と
なるので、組立、運搬、装置への取り付け、取り外し、
点検作業がしやすくなり、加えて、半導体スタックは電
力変換装置の主要部であり、装置全体の外形、重量に占
める割合も大きいため、装置全体として大幅に小型化、
軽量化が図れることになる。

【００４１】次に、この発明の第２実施例を図３および
図４に基づいて説明する。

【００４２】この第２実施例では、スナバーダイオード
３，３′をヒートパイプ式冷却器６の沸騰部ブロック７
に直接取り付けている。つまり、沸騰部ブロック７をス
ナバーダイオード３，３′が取り付けられる大きさにま
で大きくし、ＧＴＯ１，１′の押圧されている面にスナ
バーダイオード３を並べ、またＧＴＯ１′の押圧されて
いる面にスナバーダイオード３′を並べ、沸騰部ブロッ
ク７に圧接するように取り付け、接続導体９もＧＴＯ
１，１′の接続端部をさらに延長した構造としている。

【００４３】このような構造とすることにより、ＧＴＯ
１，１′とスナバーダイオード３，３′間の配線長が短
くなり、スナバー回路の一層の低インダクタンス化が可
能となる。

【００４４】図５〜図７はこの発明の第３の実施例を示
している。

【００４５】この第３実施例では、ヒートパイプ式冷却
器６の沸騰部ブロック７を横長にし、一方の側面に横に
並ぶようにＧＴＯ１とフライホィールダイオード２とを
配置し、反対側の側面にも、同じようにＧＴＯ１′とフ
ライホィールダイオード２′とを配置し、これらを沸騰
部ブロック７に押圧するようにして取り付けた構造にし
ている。

【００４６】この第３実施例によれば、ヒートパイプ式
冷却器６に使用されるヒートパイプ１２の本数を多くす
ることができ、沸騰部ブロック７と放熱部１０は、ＧＴ
Ｏ１，１′およびフライホィールダイオード２，２′の
すべての冷却に同等に寄与することになるが、沸騰部ブ
ロック７のＧＴＯ１，１′の押圧された部分に取り付け
られたヒートパイプ１２ａは主にＧＴＯ１，１′の熱輸
送を行い、フライホィールダイオード２，２′の押圧さ
れた部分に取り付けられたヒートパイプ１２ｂは主にフ
ライホィールダイオード２，２′の熱輸送を行う。そこ
で、図に示すようにＧＴＯ１，１′とフライホィールダ
イオード２，２′とで発熱量に差がある場合にはヒート
パイプの本数を異ならせることにより、冷却を行うのに
最適な配置と本数にヒートパイプを設定して効率良くヒ
ートパイプ冷却を行うことができるようになる。

【００４７】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、例えば
インバータのような電力変換装置を構成する自己消弧型
半導体素子とフライホィールダイオードを１つの沸騰部
ブロックの片面に圧接するように取り付け、沸騰部ブロ
ックの他方の面には、もう１つの自己消弧型半導体素子
とフライホィールダイオードを圧接するように取り付
け、交互に発熱する自己消弧型素子とフライホィールダ
イオードの平均的な発熱量に見合った大きさの１つの放
熱部を沸騰部ブロックに接続した構成であるため、従来
のように半導体素子ごとにその冷却用の沸騰部ブロック
を積層構造して組み立てたものに比べて、構造の単純化
ができると共に小型化が図れ、さらにアーム回路の接続
導体も短くできるために低インダクタンス化が図れる。

【００４８】また、半導体スタックの全体的な長さが短
くできるために、耐振性を向上させることができ、同時
にこのような半導体スタックを組み込む電力変換装置の
全体の小型化、軽量化が図れることになる。

【００４９】さらに、スナバー回路のスナバーダイオー
ドを自己消弧型半導体素子やフライホィールダイオード
と共に沸騰部ブロックに圧接させて取り付けるようにす
れば、このスナバーダイオードに対する接続導体も短く
でき、スナバー回路の低インダクタンス化も図れること
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の正面図。

【図２】上記実施例の側面図。

【図３】この発明の他の実施例の正面図。

【図４】上記実施例の側面図。

【図５】この発明のさらに他の実施例の正面図。

【図６】上記実施例の側面図。

【図７】図６におけるVII 矢視図。

【図８】一般的な電力変換装置としてのインバータのア
ーム回路の１相分の構成を示す回路図。

【図９】従来例の正面図。

【図１０】従来例の側面図。

【図１１】他の従来例の正面図。

【符号の説明】

１，１′ ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ） ２，２′ フライホィールダイオード ３，３′ スナバーダイオード ４，４′ スナバーコンデンサ ５，５′ スナバー抵抗 ６ ヒートパイプ式冷却器 ７ 沸騰部ブロック ８ 導体 ９ 接続導体 １０ 放熱部 １２ ヒートパイプ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電力変換用半導体素子として自己消弧型
   素子と、これと逆並列に接続されるフライホィールダイ
   オードと、スナバーダイオードを含むスナバー回路とよ
   り構成されるアーム回路を直列に接続することにより構
   成される電力変換装置をヒートパイプ式冷却器により冷
   却するように組み立てられるヒートパイプ式半導体スタ
   ックにおいて、１個のヒートパイプ式冷却器の沸騰部ブ
   ロックの片側にアーム回路を構成する自己消弧型素子と
   フライホィールダイオードとを取り付け、前記沸騰部ブ
   ロックの他方の側に前記アーム回路と直列に接続される
   他のアーム回路を構成する自己消弧型素子とフライホィ
   ールダイオードとを取り付け、交互に発熱する前記自己
   消弧型素子とフライホィールダイオードの平均的な発熱
   量に見合った大きさの放熱部を前記沸騰部ブロックに接
   続して成るヒートパイプ式半導体スタック。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のヒートパイプ式半導体
   スタックにおいて、前記沸騰部ブロックの片側と他方の
   側とに、それぞれの側に取り付けられたアーム回路に属
   するスナバー回路に含まれるスナバーダイオードを取り
   付けたもの。