JP3051003B2 - 半導体スタック - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電力変換器の半導体素
子を組込んだスタックに係り、特に複数個のスイッチン
グ素子の接続実装構成を改良した半導体スタックに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置においては、電力変換器の高
性能化のため、高速スイッチング素子を用いた高周波Ｐ
ＷＭ制御方式の採用が増加し、また、半導体装置の大容
量化に伴い、大容量の半導体素子を並列にして用いるよ
うにしている。さらに、高周波ＰＷＭ制御方式では、高
速スイッチング素子間のリアクタンスを減少させ、スイ
ッチング時に発生するサージ電圧を抑制する必要がある
ので、高速スイッチング素子は互いに近接して取付けら
れている。

【０００３】次に、従来の実装例を図５〜図７を参照し
て説明する。図５は、三相ブリッジまたは単相ブリッジ
回路の直流Ｐ，Ｎ間の上，下の２アームで、それぞれの
アームのスイッチング素子１，２が６並列の例を示す。
また、図６，図７は、図５に示した回路を実装した構成
を示したもので、図６は正面図、図７は図６のＡ−Ａ矢
視図である。

【０００４】図６において、スイッチング素子１，２
は、ヒートシンク６に対して３個並列分のスイッチング
素子が配置され、ヒートシンク６の背面側にも同様に２
アーム分のスイッチング素子が配置され、直流導体
（Ｐ）３，直流導体（Ｎ）と、上，下アーム間を接続す
る交流導体５により、スイッチング素子１，２が６個並
列に接続されている。

【０００５】図５〜図７において、直流入力端子（Ｐ）
９，直流入力端子（Ｎ）10は、スイッチング１，２の６
個並列の中間点にあり、交流端子11は図６の左端に位置
していることから、スイッチング素子１，２の直流入力
端子９，10から交流端子11までの回路長が等しくなるよ
うに構成しているため、並列スイッチング素子１，２を
流れる電流も均一化される。また、直流入力端子９，10
と交流端子11間の回路長も最短となるため、リアクタン
スもある程度小さく抑えることができるが、スイッチン
グ素子１，２の高周波ＰＷＭスイッチング時のサージ電
圧を抑えるためには、交流導体５を両サイドから直流導
体（Ｐ）３，直流導体（Ｎ）４で密着並行とし、リタン
ペアーにして小さくする必要がある。さらに、多数の並
列接続されるスイッチング素子は、スイッチング素子間
のリアクタンスを小さくするため、局部に集中する熱損
失を分散し冷却がある。そこで、ヒートパイプ付のヒー
トシンクが用いられていたが、並列素子各々の温度上昇
差異が大きくなるため、最高温度のスイッチング素子で
容量が決められ、電力変換装置としての容量を低下させ
るという問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図６からわかるよう
に、スイッチング素子１，２間の距離を最短に接続した
交流導体５の上，下に直流導体（Ｐ）３，直流導体
（Ｎ）４をサンドイッチ状に配置することによって直流
入力端子（Ｐ）９，直流入力端子（Ｎ）10と交流端子11
間のリアクタンスを小さくすることは導体の配置上困難
である。また、局部に多数のスイッチング素子を配置し
た場合においても各スイッチング素子の温度差異がない
ようにする必要がある。

【０００７】そこで、本発明の目的は、直流入力端子
（Ｐ），（Ｎ）と交流端子間のリアクタンスを小さくし
て、スイッチング素子の転流時におけるサージ電圧を抑
制するようにした半導体スタックを提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、中間に空隙を形成した放熱体の側部に半導
体素子を装着し、この半導体素子の入，出力電流を導通
する接続導体の少なくとも主母線導体を、放熱体の上部
または下部にリターンペアとなるように並列させ絶縁支
持するように構成したものである。

【０００９】

【作用】半導体素子の直流入力端子（Ｐ），（Ｎ）と交
流端子間のリアクタンスを小さくすることができ、これ
によって半導体素子の転流時におけるサージ電圧を抑制
することができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は、本発明の一実施例を示す斜視図、図２
は、本発明の一実施例に用いるヒートシンクの斜視図で
ある。図１において、１，２はスイッチング素子、15は
スイッチング素子１，２を取付けるヒートシンクを示
す。このヒートシンク15は、図２に示すように熱伝導性
の良好な銅またはアルミニウム等の材料から形成され、
両側の縁部を厚くし中間部を薄くした板状の単体15ａ
を、所要枚数重ねて縁部をボルト15ｂで締付けて一体に
したもので、単体15ａ相互の中間部に形成される隙間15
ｃに冷却風を流通させて放熱できるように構成されてい
る。なお、単体15ａの縁部を厚くする代りにスペーサを
用いて中央部に隙間15ｃを形成するようにしてもよい。

【００１１】このように構成されたヒートシンク15の側
面部に、長手方向に沿ってスイッチング素子１，２を配
列し、ボルト16，16を介して取付ける。なお、図１に
は、スイッチング素子１，２がヒートシンク15の一方
（右側）の側面部に取付けられている状態を示している
が、他方（左側）の側面部にも同様にスイッチング素子
１，２（ただし、図示しない）が取付けられ、全体とし
て図５に示した回路図の直流Ｐ，Ｎ間上下アームの２並
列分が取付けられる。

【００１２】また、直流導体（Ｐ）17は、スイッチング
素子１のＣ端子に接続され、直流導体（Ｎ）18は、スイ
ッチング素子２のＥ端子に接続され、スイッチング素子
１，２のＥ，Ｃ端子に接続された交流導体19を上下から
サンドイッチ状に挟み、直流導体（Ｐ）17，直流導体
（Ｎ）18は交流導体19とリターンペアとなるように配置
されている。

【００１３】しかして、直流導体（Ｐ）17は、平板状の
主体部17ａと、この主体部17ａの長手方向に沿った一方
（図１で手前側）の端部の両側でスイッチング素子１の
Ｃ端子に接続可能となるように下方に折曲げた端子接続
部17ｂと、主体部17ａの長手方向に沿った他方の端部の
両側で上方に折曲げた直流入力端子（Ｐ）９とから構成
され、端子接続部17ｂにはスイッチング素子１のＣ端子
に接続するためのボルト20の貫通孔（図示しない）を設
ける。

【００１４】直流導体（Ｎ）18は、平板状の主体部18ａ
と、この主体部18ａの長手方向に沿った一方（図１で手
前側）の端部の両側でスイッチング素子２のＥ端子に接
続可能となるように下方に折曲げた端子接続部18ｂと、
主体部18ａの長手方向に沿った他方の端部の両側での上
方に折曲げた直流入力端子（Ｎ）10とから構成され、端
子接続部18ｂにはスイッチング素子２のＥ端子に接続す
るためのボルト20の貫通孔（図示しない）を設ける。

【００１５】交流導体19は、平板状の主体部19ａと、こ
の主体部19ａの一方（図１の手前側）の端部の両側でス
イッチング素子１のＥ端子とスイッチング素子２のＣ端
子に接続可能となるように下方に折曲げた端子接続部19
ｂとから構成され、この端子接続部19ｂにはスイッチン
グ素子１のＥ端子に接続するためのボルト20の貫通孔
（図示しない）とスイッチング素子２のＣ端子に接続す
るためのボルト20の貫通孔（図示しない）を設け、主体
部19ａの他方の端部には交流端子11を設ける。

【００１６】以上のように構成された直流導体（Ｐ）1
7，直流導体（Ｎ）18，交流導体19は、導体処理箱23に
収納されて支持される。この導体処理箱21は、絶縁材で
形成され、平面形状をヒートシンク15の平面形状と同形
状とし、直流導体（Ｐ）17，直流導体（Ｎ）18，交流導
体19のそれぞれの主体部17ａ，18ａ，19ａを収納可能と
し、それらの端子接続部17ｃ，18ｃ，19ｂが側面の切欠
部から外部へ出るようにし、それぞれの主体部17ａ，18
ａ，19ａの他方（図１で向う側）の端部が同方向の端面
の切欠部から外部へ出るように構成されている。この導
体処理箱21は、ヒートシンク16の上面にボルト（図示し
ない）を介して取付けられる。

【００１７】次に、以上のように構成された実施例の作
用を説明する。上述したようにスイッチング素子１，２
を実装することにより、直流入力端子（Ｐ）９から流入
する電流は、直流導体（Ｐ）17，スイッチング素子１，
交流導体19を経由して交流端子11に至る。また、直流導
体（Ｐ）17と交流導体19は、リターンペアとなっている
ため、直流入力端子（Ｐ）９と交流端子11間のリアクタ
ンスを小さな値とすることができる。さらに、交流端子
11から直流導体（Ｎ）18へ流れる電流も、交流導体19と
直流導体（Ｎ）18がリターンペアとなっているため、交
流端子11と直流入力端子（Ｎ）10間のリアクタンスを小
さな値とすることができる。

【００１８】以上のように構成することにより、高速ス
イッチング素子の転流時におけるサージ電圧を抑制する
と共に並列接続される高速スイッチング素子の温度差の
ないスタック構成となるため、小形で安価な半導体スタ
ックを得ることができる。

【００１９】なお、以上説明した実施例（以下、第１実
施例という）は、スタックを１段としたものであるが、
図３に示すようにスタックを２段に重ねるように構成
し、図５に示す回路図の直流Ｐ，Ｎ間上，下アームの４
並列分を実装するようにしてもよい。この実施例（以
下、第２実施例という）の場合には、下方のスタックと
上方のスタックのそれぞれの直流導体（Ｐ），直流導体
（Ｎ），交流導体を接続する。そこで、下方のスタック
の直流導体（Ｐ）17Ａと上方のスタック直流導体（Ｐ）
17Ｂの直流入力端子（Ｐ）をそれぞれ接近するように伸
ばし、この接続部に直流入力端子（Ｐ）９を形成し、下
方のスタックの直流導体（Ｎ）18Ａと上方のスタックの
直流導体（Ｎ）18Ｂの直流入力端子（Ｎ）をそれぞれ接
近するように伸ばし、この接続部に直流入力端子（Ｎ）
10を形成し、下方のスタックの交流導体19Ａと上方のス
タックの交流導体19Ｂの交流端子をそれぞれ接近するよ
うに側方に伸ばし、この接続部に交流端子11を形成す
る。または、別個の導体で接続するようにしてもよい。

【００２０】以上のように構成した第２実施例でも、第
１実施例と同様の効果が得られる。また、ヒートシンク
15，15に矢印で示すように冷却風を流すことにより、ス
タックを重ねても上方のスタックが下方のスタックの熱
で悪影響を受けることを防止できる。

【００２１】図４は、図５に示す三相ブリッジまたは単
相ブリッジ回路の直流Ｐ，Ｎ間の上，下のアームをスタ
ック左右側面合わせて４並列分実装した実施例（以下、
第３実施例という）を示したものである。この第３実施
例の場合には、ヒートシンク15Ａは、上述した第１実施
例のヒートシンク15に比べて単体15ａの枚数をほぼ２倍
として重ねてボルト等を介して一体にした構成としてい
る。また、直流導体（Ｐ）17Ｃは、端子接続部17ｃを上
述した直流導体（Ｐ）17の端子接続部17ｂより長くし
て、上方のスイッチング素子１ＡのＣ端子と下方のスイ
ッチング素子１ＢのＣ端子を接続できるようにし、直流
導体（Ｎ）18Ｃは、端子接続部18ｃを上述した直流導体
（Ｎ）18の端子接続部18ｂより長くし、上方のスイッチ
ング素子２ＡのＥ端子と下方のスイッチング素子２Ｂの
Ｅ素子を接続できるようにしている。

【００２２】一方、交流導体19Ｃは、端子接続部19ｃ
を、山字状とし中央の部分が主体部19ａに連らなり、両
側の部分は下部で中央の部分に連らなるように形成し、
この下部で下方のスイッチング素子１ＢのＥ端子，スイ
ッチング素子２ＢのＣ端子に接続し、両側の部分の一方
（図４で右側）で上方のスイッチング素子１ＡのＥ端
子、他方で上方のスイッチング素子２ＡのＥ端子にそれ
ぞれ接続するようにする。

【００２３】以上のように構成した第３実施例も、上述
した第２実施例と同様に高速スイッチング素子１Ａ，１
Ｂ，２Ａ，２Ｂの転流時におけるサージ電圧を抑制する
と共に、冷却風をヒートシンク15Ａに矢印で示すように
流通させることによって、並列接続された高速スイッチ
ング素子１Ａ，１Ｂおよび２Ａ，２Ｂ上下間の温度上昇
差異を最小限に抑えることができる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、中
間に空隙を形成した放熱体の側部に半導体素子を装着
し、この半導体素子の入，出力電流を導通する接続導体
の少なくとも主母線導体を、放熱体の上部または下部に
リターンペアとなるように並列して絶縁支持するように
しているので、半導体素子の転流時におけるサージ電圧
を抑制する半導体スタックを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を一部切断して示す斜視図。

【図２】本発明の一実施例に用いる放熱体の斜視図。

【図３】本発明の他の実施例（第２実施例）を一部切断
して示す斜視図。

【図４】本発明のさらに異なる他の実施例（第３実施
例）を一部切断して示す斜視図。

【図５】半導体スタックの回路図。

【図６】従来の半導体スタックの正面図。

【図７】図６のＡ−Ａ矢視図。

【符号の説明】

１，１Ａ，２，２Ａ…スイッチング素子、９…直流入力
端子（Ｐ）、10…直流入力端子（Ｎ）、11…交流端子、
15…ヒートシンク、17，17Ａ，17Ｂ，17Ｃ…直流導体
（Ｐ）、18，18Ａ，18Ｂ，18Ｃ…直流導体（Ｎ）、19，
19Ａ，19Ｂ，19Ｃ…交流導体、21…導体処理箱。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中間に空隙を形成した放熱体の側部に半
   導体素子を装着し、この半導体素子の入，出力電流を導
   通する接続導体の少なくとも主母線導体を、前記放熱体
   の上部または下部に並列させ絶縁支持するように構成し
   たことを特徴とする半導体スタック。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の半導体スタックにおい
   て、主母線導体がリターンペア配置となるように構成し
   たことを特徴とする半導体スタック。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の半導体スタッ
   クにおいて、放熱体の空隙に冷却風を流通させるように
   したことを特徴とする半導体スタック。