JP3199349B2 - 半導体素子スタック - Google Patents

半導体素子スタック

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JP3199349B2
JP3199349B2 JP13091695A JP13091695A JP3199349B2 JP 3199349 B2 JP3199349 B2 JP 3199349B2 JP 13091695 A JP13091695 A JP 13091695A JP 13091695 A JP13091695 A JP 13091695A JP 3199349 B2 JP3199349 B2 JP 3199349B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ゲートターンオフサイ
リスタ(以下GTOと称す)やフリーホイーリングダイ
オード等のように種類の異なる平形半導体素子を用いた
電力変換装置に係り、特に種類が異なる為にその圧接面
の径が異なる平型半導体素子を一括スタッキングして構
成される半導体スタックに関する。
【0002】
【従来の技術】インバータ装置などの半導体電力回路に
スイッチング素子を適用することは、電源側及び負荷側
高調波の抑制、電源力率の改善、装置の小型化などの利
点が得られる。
【0003】以下、スイッチング素子であるGTOを使
用したインバータ装置の例で説明する。図13に代表的
なインバータ装置の主回路図を表す。図13のインバー
タ装置は、交流入力電源1が整流器2により直流に変換
され、直流リアクトル3と平滑コンデンサ4で電圧と電
流の波形を平滑し、3相ブリッジインバータ回路5によ
り、所望の周波数に変換し、トランス6を介して出力す
る装置である。
【0004】図14は、図13の3相ブリッジインバー
タ回路5の1相分のブリッジ7(図中の1点鎖線で囲ま
れた部分)の詳細な回路図である。1相分のブリッジ
は、上下アームのスイッチング素子であるGTO8とフ
リーホイーリングダイオード9を1つのユニットにまと
め、これにGTO8のスナバ回路であるスナバコンデン
サ10と、スナバダイオード11と、スナバ抵抗12
と、GTO8のゲートユニット13とからなる。
【0005】このような回路では、GTO及びダイオー
ドがスイッチング動作を行うことによって各々の素子で
熱が発生し、その発熱量は4000kVAクラスのイン
バータ装置ではGTOは数kW、フリーホイーリングダ
イオードはその運転モードにもよるがGTOの3分の1
程度、スナバーダイオードは数百Wとなる。
【0006】そこで、このような大きな発熱量を冷却す
るには水冷による冷却方法が一般的に用いられている。
図15に1相分のブリッジのGTOユニットを構成する
GTOスタック14の正面図を示し、図16に側面図を
示す。
【0007】GTOスタック14は、GTO8と、フリ
ーホイーリングダイオード9と、GTO8及びダイオー
ド9の発熱を抑制し、かつ電気導体を兼ねる水冷ヒート
シンク15と、GTO8及びダイオード9を押さえる押
さえ板16と、押さえ板16を電気的に絶縁し、かつス
タックの中心を調節するための球面部品17と、球面部
品17を受ける絶縁座18と、圧接力を一定に保つため
のバネ19と、押さえ板16をつなぐスタッド20と、
ロックナット21等にて構成されている。
【0008】また、主回路接続端子として適所に導体2
2を挟み、GTOユニットの主回路接続のために使用し
ている。図中、この導体22を介してフリーホイールダ
イオード9を水冷ヒートシンク15が冷却しているので
冷却効率は低減されてしまうが、フリーホイーリングダ
イオード9はGTO8と比較して発熱量が少ないので、
十分な冷却となっている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかし、GTOやフリ
ーホイーリングダイオード等の、種類の異なる平型半導
体素子を一括して加圧する半導体スタックの場合、各半
導体素子の圧接面(以下ポスト面と称す)の径(以下ポ
スト径と称す)が同一でないために、各素子ポスト面と
水冷ヒートシンクの圧接面での圧接力分布が不均一とな
る。
【0010】図17は図15、図16に示す従来のGT
Oスタック14のGTO8のカソード側ポスト面(矢視
A)における圧接力分布を2次元的に示している。横軸
がGTO8のポスト径、縦軸が圧接力を示す。この場
合、GTO8の中心を通る軸上の圧接力となっている。
図より、φBの範囲で圧接力が高く、φBの外側の圧接
力が低くなっている。
【0011】図17に示すGTOポスト面の圧接分布の
不均一さとφBとは、フリーホイーリングダイオードの
ポスト径の大きさ、水冷ヒートシンクの剛性、導体、調
心機構部の球面受け座などのスタック構成部品の剛性と
密接な関係があることを実測結果から分かっている。
【0012】即ち、スタッキング部品の平行度が管理さ
れた面どうしで圧接面を構成し荷重をかけてその圧接力
分布を実測すると、球面座のように機械的に剛体の場
合、荷重方向に対しほぼ45゜まで有効に伝達される。
これに対し水冷ヒートシンクのように中に冷却水流路が
ある部品では、冷却水流路で荷重による力の伝達が断ち
切れ、荷重に対して45゜方向には力が伝達されてない
という現象である。
【0013】このように、ポスト面の圧接力が不均一と
なると、GTO8では、ペレットに於いて局部的に電流
が集中し、熱ストレスや過大な電流変化により素子を破
壊することがある。
【0014】そのためこのようなポスト径の異なる平型
半導体素子を一括加圧するスタック構成装置では過剰な
余裕をとって設計をすることになっていた。従って、素
子の能力を十分発揮できない装置設計となっていた。
【0015】よって、本発明では、このようにポスト径
の異なる平型半導体素子を一括加圧するスタックにおい
て、各素子ポスト面での圧接力分布をほぼ均等とする構
造を実現し、半導体素子の能力を十に活用することを目
的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項1に記載の半導体素子スタックで
は、ポスト径の異なる複数個の平型半導体素子とこれら
の半導体素子を冷却する冷却水溝を有する複数個の冷却
体とを積層させ、適所に主回路接続用の端子を備えた積
層体と、この積層体を圧接保持する圧接保持部とからな
る半導体素子スタックにおいて、前記複数個の冷却体の
うち任意の冷却体と、上記冷却体を介して隣合う第1の
平型半導体素子と第2の平型半導体素子の関係が、
【0017】
【数5】φD2−φD1<2×(tFin −h) φD1:第1の平型半導体素子のポスト径 φD2:第2の平型半導体素子のポスト径 tFin :第1と第2の平型半導体素子に挟まれた冷却体
の厚さ h :第1と第2の平型半導体素子に挟まれた冷却体
の冷却水溝の高さ となることを特徴とする。
【0018】本発明の請求項2記載の半導体素子スタッ
クでは、請求項1記載の半導体素子スタックにおいて、
上記冷却体の冷却水溝の位置を、上記第1の平型半導体
素子と上記第2の平型半導体素子のうち発熱量の大きい
平型半導体素子に近い位置にしたことを特徴とする。
【0019】本発明の請求項3記載の半導体素子スタッ
クでは、ポスト径の異なる複数個の平型半導体素子とこ
れらの半導体素子を冷却する冷却水溝を有する複数個の
冷却体とを積層させ、適所に主回路接続用の端子を備え
た積層体と、この積層体を圧接保持する圧接保持部とか
らなる半導体素子スタックにおいて、ポスト径の異なる
第1の平型半導体素子と第2の平型半導体素子との間
に、2つの第1の冷却体と第2の冷却体とを挟む構成と
し、上記第1の平型半導体素子と上記第2の平型半導体
素子と上記第1の冷却体と上記第2の冷却体との関係
が、
【0020】
【数6】tFin 1+tFin 2>(φD2−φD1)/2
+h1+h2 φD1 :第1の平型半導体素子のポスト径 φD2 :第2の平型半導体素子のポスト径 tFin 1:第1の冷却体の厚さ tFin 2:第2の冷却体の厚さ h1 :第1の冷却体の厚み方向の冷却水溝の高さ h2 :第2の冷却体の厚み方向の冷却水溝の高さ となることを特徴とする。
【0021】本発明の請求項4記載の半導体素子スタッ
クでは、ポスト径の異なる複数個の平型半導体素子とこ
れらの半導体素子を冷却する冷却水溝を有する複数個の
冷却体とを積層させ、適所に主回路接続用の端子を備え
た積層体と、この積層体を圧接保持する圧接保持部とか
らなる半導体素子スタックにおいて、ポスト径の異なる
第1の平型半導体素子と第2の平型半導体素子との間
に、2つの第1の冷却体と第2の冷却体とを挟み、更
に、上記第1の冷却体と上記第2の冷却体との間に導電
性のディスクを設けたことを特徴とする。
【0022】本発明の請求項5記載の半導体素子スタッ
クでは、請求項4記載の半導体素子スタックにおいて、
上記第1の平型半導体素子と上記第2の平型半導体素子
と上記第1の冷却体と上記第2の冷却体と上記ディスク
との関係が、
【0023】
【数7】φDDisk>φD2−2×(tFin2−h2) tDisk+tFin 1+tFin 2>(φD2−φD1)/2
+h1+h2 φD1 :第1の平型半導体素子のポスト径 φD2 :第2の平型半導体素子のポスト径 φDDisk:ディスクの圧接面の径 tDisk :ディスクの厚み tFin 1:第1の冷却体の厚さ tFin 2:第2の冷却体の厚さ h1 :第1の冷却体の厚み方向の冷却水溝の高さ h2 :第2の冷却体の厚み方向の冷却水溝の高さ となることを特徴とする。
【0024】本発明の請求項6記載の半導体素子スタッ
クでは、上記ディスクの代わりに導電性のばねを用いた
ことを特徴とする。本発明の請求項7記載の半導体素子
スタックでは、ポスト径の異なる複数個の平型半導体素
子とこれらの半導体素子を冷却する冷却水溝を有する複
数個の冷却体とを積層させ、適所に主回路接続用の端子
を備えた積層体と、この積層体を圧接保持する少なくと
もスタックの中心を調節する調心手段と積層体に接触す
る絶縁座とを有する圧接保持部とからなる半導体素子ス
タックにおいて、上記調心手段と、上記絶縁座と、上記
絶縁座に接触する冷却体と、上記冷却体の上記絶縁座の
接触面とは反対側の面に接触する平型半導体素子との関
係が、
【0025】
【数8】φDZ >φDD −2×(tFin −h) tZ >(φDD −φDP )/2 φDZ :絶縁座の径 φDD :平型半導体素子のポスト面径 φDP :調心手段と絶縁座の接触径 tZ :絶縁座の厚み tFin :冷却体の厚み h :冷却体の厚み方向の冷却水溝の高さ となることを特徴とする。
【0026】
【0027】
【作用】本発明の請求項1記載の半導体素子スタックで
は、冷却体が理想的な剛体であれば、力が45゜方向に
伝達し、小さい側の素子ポスト径からみて、このポスト
径に冷却体の厚み分tFin の2倍を加えたポスト径の半
導体素子まで1括スタッキングできる。実際の冷却体は
溝高さhの冷却水流路があるため、剛体に相当する等価
厚みは(tFin ーh)となっている。従って、小さい側
の素子からみて、小さい側の素子ポスト径に2倍の(t
Fin ーh)を加えたポスト径を限界とする半導体素子で
あれば、大きい側の素子ポスト面でも圧接力不足のない
加圧力分布となる。
【0028】本発明の請求項2記載の半導体素子スタッ
クでは、第1と第2の平型半導体素子に挟まれた冷却体
の冷却水溝の位置を、上記第1の平型半導体素子と上記
第2の平型半導体素子のうち発熱量の大きい平型半導体
素子に近い位置にすることにより、請求項1記載の半導
体素子スタックと同様な効果に加え、高い冷却効率を必
要とする素子と、高い冷却効率を必要としない素子に対
し効果的に冷却できる。
【0029】本発明の請求項3記載の半導体素子スタッ
クでは、2つの冷却体を設けることにより、請求項1記
載の半導体素子スタックと同様な効果に加え、冷却体の
等価剛体厚さが増大し,大きなポスト面を有する素子の
外周部分にも力が伝達され加圧力不足をなくすことがで
きる。
【0030】本発明の請求項4記載の半導体素子スタッ
クでは、第1の冷却体と第2の冷却体との間に導電性の
ディスクを設けたことにより、請求項1記載の半導体素
子スタックと同様な効果に加え、異口径素子で挟まれた
スタッキング部品の等価剛性を増大させ,加圧力による
力の伝達が45゜方向に広がるようにする作用があり、
このようにディスクをもちいることで,等価剛体厚さが
ほとんど期待できない水冷ヒートシンクの組み合わせで
も,圧接力不足をなくすことができる。
【0031】本発明の請求項5記載の半導体素子スタッ
クでは、請求項4記載の半導体素子スタックと同様な効
果に加え、加圧力分布の最適化、形状、重量の最適化が
可能となる。
【0032】本発明の請求項6記載の半導体素子スタッ
クでは、請求項4、5で用いたディスクの代わりに、導
電材料によるばねを挿入することにより、無荷重の状態
では、ばねの凸側が小径ポスト面素子と接する冷却体の
反対側の面に接し、ばねの凹側が大径ポスト面の素子と
接する冷却体の反対側の面に接し、所定の加圧力が加え
られると、ばねが完全につぶれて、全面で接触してい
る。このばねの反力により、大径ポスト面の素子の円周
部分の加圧力を増加させる作用がある。
【0033】本発明の請求項7記載の半導体素子スタッ
クでは、調心手段と、絶縁座と、絶縁座に接触する冷却
体と、冷却体の絶縁座の接触面とは反対側の面に接触す
る平型半導体素子との関係が、式を満たすようにするこ
とにより、半導体スタックのスタッキング積層体への力
の伝達が効率よく伝達される。
【0034】
【0035】
【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、本発明の第1の実施例の半導体スタック
の正面図を示し、図2は、その一部分の拡大図である。
【0036】GTOスタック14は、GTO8と、フリ
ーホイーリングダイオード9と、素子の発熱を抑制し、
かつ電気導体を兼ねる水冷ヒートシンク15と、素子を
押さえる押さえ板16と、押さえ板16を電気的に絶縁
し、かつスタックの中心を調節するための球面部品17
と、球面部品17を受ける絶縁座18と、圧接力を一定
に保つためのバネ19と、押さえ板16をつなぐスタッ
ド20と、ロックナット21等にてスタックを構成して
いる。
【0037】また、主回路接続端子として適所に導体2
2を挟み、GTOユニットの主回路接続のために使用し
ている。図中、この導体22を介してフリーホイールダ
イオード9を水冷ヒートシンク15が冷却しているので
冷却効率は低減されてしまうが、フリーホイーリングダ
イオード9はGTO8と比較して発熱量が少ないので、
十分な冷却となっている。
【0038】このとき、図2に示すように、GTO8の
ポスト径をφD2、フリーホイリングダイオード9のポ
スト径をφD1、GTO8とフリーホイーリングダイオ
ード9に挟まれた水冷ヒートシンク15の厚みをtFin
、この水冷ヒートシンク15の冷却水溝の高さをhと
した場合、次式が成立するように、GTO8とフリーホ
イーリングダイオード9と水冷ヒートシンク15を選定
する。
【0039】
【数9】 φD2−φD1<2×(tFin −h)・・・(1) 即ち、水冷ヒートシンクが理想的な剛体であれば、力が
45゜方向に伝達し、小さい側の素子ポスト径からみ
て、このポスト径に水冷ヒートシンクの厚み分tFin の
2倍を加えたポスト径の半導体素子まで1括スタッキン
グできる。実際の水冷ヒートシンクは溝高さhの冷却水
流路があるため、剛体に相当する等価厚みは(tFin −
h)となっている。従って、小さい側の素子からみて、
小さい側の素子ポスト径に2倍の(tFin −h)を加え
たポスト径を限界とする半導体素子であれば、大きい側
の素子ポスト面でも圧接力不足のない加圧力分布とな
る。
【0040】図3は上記(1)式の関係を満足する場合
と満足しない場合におけるGTO8のポスト面(図1の
矢視A)における圧接力分布実測結果を2次元的に表し
た図である。
【0041】(1)式を満足しない場合、点線で示す圧
接力分布特性となり、φD1より外側の範囲で圧接力が
極端に小さくなり、圧接力不足となり易いことを示す。
一方(1)式を満足する場合、実線で示す圧接力分布特
性となり、φD1より外側の範囲でも圧接力が極端に小
さくなることなく圧接されている。
【0042】よって、GTO8のポスト面での圧力分布
において、極端な圧力差のある部分がなくなり、ほぼ圧
接力分布をほぼ均等とする構造が実現し、GTOの能力
を十に活用することができる。これにより装置として過
剰な余裕をとることなく設計をすることが可能となる。
【0043】次に本発明の第2の実施例について図4を
用いて説明する。第2の実施例は、第1の実施例の水冷
ヒートシンクを変形したものである。図4に示す水冷ヒ
ートシンク15では、冷却水溝を中心よりGTO8に近
い位置に形成している。
【0044】このとき、図4に示すように、GTO8の
ポスト径をφD2、フリーホイリングダイオード9のポ
スト径をφD1、GTO8とフリーホイーリングダイオ
ード9に挟まれた水冷ヒートシンク15の厚みをtFin
、この水冷ヒートシンク15の冷却水溝の高さをhと
した場合、次式が成立するように、GTO8とフリーホ
イーリングダイオード9と水冷ヒートシンク15を選定
する。
【0045】
【数10】 tFin >(φD2−φD1)/2+h・・・(2) この(2)式の関係を満足する場合と満足しない場合に
おけるGTO8のポスト面(図1の矢視A)における圧
接力分布実測結果は既に説明した図3と同じ結果とな
り、第1の実施例と同様の作用と効果が得られる。ま
た、冷却水溝が発熱の大きいGTOに近い位置にあるの
で冷却効率が向上する。
【0046】次に図5を用いて、本発明の第3の実施例
について説明する。第3の実施例は、第1の実施例の水
冷ヒートシンクを変形したものである。図5に示す水冷
ヒートシンク15では、冷却水溝が2カ所に形成され、
2つの冷却水溝の間は所定の剛性を維持するためにt1
の肉厚としている。ている。
【0047】このとき、図5に示すように、GTO8の
ポスト径をφD2、フリーホイリングダイオード9のポ
スト径をφD1、GTO8とフリーホイーリングダイオ
ード9に挟まれた水冷ヒートシンク15の厚みをtFin
、この水冷ヒートシンク15の冷却水溝の高さをそれ
ぞれh1とh2とした場合、次式が成立するように、G
TO8とフリーホイーリングダイオード9と水冷ヒート
シンク15を選定する。
【0048】
【数11】 tFin >(φD2−φD1)/2+h1+h2・・・(3) この(3)式の関係を満足する場合と満足しない場合に
おけるGTO8のポスト面(図1の矢視A)における圧
接力分布実測結果は既に説明した図3と同じ結果とな
り、第1の実施例と同様の作用と効果が得られる。
【0049】次に発明の第4の実施例について図6と図
7を用いて説明する。図6は、本発明の第4の実施例の
半導体スタックの正面図を示し、図7は、その一部分の
拡大図である。
【0050】GTOスタック14は、GTO8と、フリ
ーホイーリングダイオード9と、素子の発熱を抑制し、
かつ電気導体を兼ねる水冷ヒートシンク15と、素子を
押さえる押さえ板16と、押さえ板16を電気的に絶縁
し、かつスタックの中心を調節するための球面部品17
と、球面部品17を受ける絶縁座18と、圧接力を一定
に保つためのバネ19と、押さえ板16をつなぐスタッ
ド20と、ロックナット21等にてスタックを構成して
いる。
【0051】そして、主回路接続端子として適所に導体
22を挟み、GTOユニットの主回路接続のために使用
している。また、GTO8とフリーホイーリングダイオ
ード9との間には2つの水冷ヒートシンク15が接続導
体22を挟んで挿入されている。
【0052】よって、GTO8とフリーホイールダイオ
ード9は水冷ヒートシンク15で挟まれているので効率
的に冷却される。このとき図7に示すように、GTO8
のポスト径をφD2、フリーホイリングダイオード9の
ポスト径をφD1、各々の水冷ヒートシンク15の厚み
をtFin1、tFin 2とし、対応する水冷ヒートシンク
15の冷却水溝の高さをh1、h2とした場合、次式が
成立するように、GTO8とフリーホイーリングダイオ
ード9と水冷ヒートシンク15を選定する。
【0053】
【数12】 tFin 1+tFin 2>(φD2−φD1)/2+h1+h2・・・(4) この(4)式の関係を満足する場合と満足しない場合に
おけるGTO8のポスト面(図6の矢視A)における圧
接力分布実測結果は既に説明した図3と同じ結果とな
り、GTO8のポスト面での圧力分布において、極端な
圧力差のある部分がなくなり、ほぼ圧接力分布をほぼ均
等とする構造が実現し、GTOの能力を十に活用するこ
とができる。これにより装置として過剰な余裕をとるこ
となく設計をすることが可能となる。
【0054】次に本発明の第5の実施例について図8と
図9を用いて説明する。図8は、本発明の第5の実施例
の半導体スタックの正面図を示し、図9は、その一部分
の拡大図である。
【0055】GTOスタック14は、GTO8と、フリ
ーホイーリングダイオード9と、素子の発熱を抑制し、
かつ電気導体を兼ねる水冷ヒートシンク15と、素子を
押さえる押さえ板16と、押さえ板16を電気的に絶縁
し、かつスタックの中心を調節するための球面部品17
と、球面部品17を受ける絶縁座18と、圧接力を一定
に保つためのバネ19と、押さえ板16をつなぐスタッ
ド20と、ロックナット21等にてスタックを構成して
いる。
【0056】そして、主回路接続端子として適所に導体
22を挟み、GTOユニットの主回路接続のために使用
している。また、GTO8とフリーホイーリングダイオ
ード9との間には2つの水冷ヒートシンク15が接続導
体22と導電材料で構成されたディスク23を挟んで挿
入されている。
【0057】よって、GTO8とフリーホイールダイオ
ード9は水冷ヒートシンク15で挟まれているので効率
的に冷却される。デイスク23は、水冷ヒートシンク1
5の剛性不足分を補い、圧力を45゜方向に広げる役割
を果たす共にと水冷ヒートシンクと同様に主回路導体を
兼ねてる。
【0058】このとき図9に示すように、GTO8のポ
スト径をφD2、フリーホイリングダイオード9のポス
ト径をφD1、各々の水冷ヒートシンク15の厚みをt
Fin1、tFin 2とし、対応する水冷ヒートシンク15
の冷却水溝の高さをh1、h2、ディスク23の径をφ
DDisk、ディスクの厚みをtDiskとした場合、次式が成
立するように、GTO8とフリーホイーリングダイオー
ド9と水冷ヒートシンク15とディスク23を選定す
る。
【0059】
【数13】 φDDisk>φD2−2×(tFin 2−h2) ・・・(5) tDisk>(φD1−φD2)/2 −(tFin 1−h1)−(tFin 2−h2)・・・(6) 上記(5)(6)式の関係を満足する場合と満足しない
場合におけるGTO8のポスト面(図8の矢視A)にお
ける圧接力分布実測結果は既に説明した図3と同じ結果
となり、GTO8のポスト面での圧力分布において、極
端な圧力差のある部分がなくなり、ほぼ圧接力分布をほ
ぼ均等とする構造が実現し、GTOの能力を十に活用す
ることができる。これにより装置として過剰な余裕をと
ることなく設計をすることが可能となる。
【0060】次に本発明の第6の実施例について図10
を用いて説明する。第6の実施例は、第4の実施例で用
いたディスク23の代わりに、図10に示すように、G
TO8とフリーホイーリングダイオード9との間に、2
つの水冷ヒートシンク15が接続導体22と導電材料で
構成された皿ばね24を挟んで挿入されて、スタック積
層部品を構成している。
【0061】皿ばね24は、無荷重の状態では、皿ばね
24の凸側がフリーホイーリングダイオード9のポスト
面と接する水冷ヒートシンク15の反対側の面に接し、
皿ばね24の凹側がGTO8と接する水冷ヒートシンク
15の反対側の面に接し、所定の加圧力が加えられる
と、皿ばね24が完全につぶれて、全面で接触する。こ
の皿ばね24の反力により、水冷ヒートシンク15の剛
性不足分が補われ、GTO8のポスト面の円周部分の圧
接力を増加させる。
【0062】よって、GTO8のポスト面での圧力分布
において、極端な圧力差のある部分がなくなり、ほぼ圧
接力分布をほぼ均等とする構造が実現し、GTOの能力
を十に活用することができる。これにより装置として過
剰な余裕をとることなく設計をすることが可能となる。
【0063】この実施例では、皿ばねを用いて説明を行
ったが、代わりに板ばね等を用いても同様な効果を得る
ことができる。次に本発明の第7の実施例について図1
1を用いて説明する。
【0064】図11において、GTOスタックを構成す
る球面部品17を受ける絶縁座18の径をφDZ 、絶縁
座18と球面部品17との接触径をφDP 、絶縁座18
の厚みをtZ 、水冷ヒートシンク15の厚みをtFin 、
水冷ヒートシンク15の冷却水溝の高さをh、素子25
のポスト径をφDD とした場合、次式が成立するように
構成する。
【0065】
【数14】 φDZ >φDD −2×(tFin −h)・・・(7) tZ >(φDD −φDP )/2 ・・・(8) この(8)式では、水冷ヒートシンク15による荷重の
広がりを考慮していないが、これは、絶縁座がGTOス
タックの加圧部分になるため、加圧を確実に行えるよう
に絶縁座の水冷ヒートシンクとの接触面で素子25のポ
スト径分の加圧面を持つようにしている。また、GTO
スタックの圧接分布は、GTOスタックの中心より両端
の圧力が低くなるため、より確実な加圧を行う必要とす
るからである。
【0066】上記(7)、(8)式のように構成するこ
とにより、図12に示す圧接分布得られ、平型半導体ス
タックのスタッキング積層体へ効率よく力が伝達される
効果がある。ここで明らかなように、φDD はGTO8
のポスト径φD2であったりフリーホイーリングダイオ
ード9のポスト径φD1であるから、スタック積層体全
体としてその圧接状態が最適化される効果がある。
【0067】最後に、本発明の第8の実施例について図
1と図2と図11とを用いて説明する。図2に示すよう
に、GTO8のポスト径をφD2、フリーホイリングダ
イオード9のポスト径をφD1、GTO8とフリーホイ
ーリングダイオード9に挟まれた水冷ヒートシンク15
の厚みをtFin 、この水冷ヒートシンク15の冷却水溝
の高さをhとし、一方、図11に示すように絶縁座の径
をφDZ 、絶縁座とは水冷ヒートシンクを介して隣合う
平型半導体素子のポスト面径をφDD 、調心球面と絶縁
座の接触径をφDP 、絶縁座の厚みをtZ 、絶縁座と隣
合う水冷ヒートシンクの厚みをtFin 、絶縁座と隣合う
水冷ヒートシンク厚み方向の冷却水溝の高さhとした場
合、次式が成立するように構成する。
【0068】
【数15】 φD2−φD1<2×(tFin −h)・・・(1) φDZ >φDD −2×(tFin −h)・・・(7) tZ >(φDD −φDP )/2 ・・・(8) これら(1)、(7)、(8)式のように構成すること
により、平型半導体スタックのスタッキング積層体へ効
率よく力が伝達される効果がある。また、GTO8のポ
スト面での圧力分布において、極端な圧力差のある部分
がなくなり、ほぼ圧接力分布をほぼ均等とする構造が実
現し、GTOの能力を十に活用することができる。これ
により装置として過剰な余裕をとることなく設計をする
ことが可能となる。
【0069】また、上記条件で種類の異なる平型半導体
素子のポスト径を全て同径φDとし、絶縁座の径も上記
平型半導体素子と同じでφDとすると、tFin やhにか
かわらず、(1)、(7)、(8)式が成立する。
【0070】力の伝達の観点から説明すると、種類の異
なる平型半導体素子のポスト径と球面座径を同一とする
ことで、水冷ヒートシンクの中にある冷却水流路で力の
伝達が断ち切れ45゜方向には力が伝達されなくてもよ
いことになる。したがって、加圧方向にたいして直角と
なる面への力の広がりを考慮する必要なく理想的な圧力
分布を得ることができる.よって、平型半導体スタック
のスタッキング積層体へ効率よく力が伝達される効果が
ある。また、GTO8のポスト面での圧力分布におい
て、極端な圧力差のある部分がなくなり、ほぼ圧接力分
布をほぼ均等とする構造が実現し、GTOの能力を十に
活用することができる。これにより装置として過剰な余
裕をとることなく設計をすることが可能となる。
【0071】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項1
記載の半導体素子スタックでは、冷却体が理想的な剛体
であれば、力が45゜方向に伝達し、小さい側の素子ポ
スト径からみて、このポスト径に冷却体の厚み分tFin
の2倍を加えたポスト径の半導体素子まで1括スタッキ
ングできる。実際の冷却体は溝高さhの冷却水流路があ
るため、剛体に相当する等価厚みは(tFin −h)とな
っている。従って、小さい側の素子からみて、小さい側
の素子ポスト径に2倍の(tFin −h)を加えたポスト
径を限界とする半導体素子であれば、大きい側の素子ポ
スト面でも圧接力不足のない加圧力分布となる。よっ
て、GTO8のポスト面での圧力分布において、極端な
圧力差のある部分がなくなり、ほぼ圧接力分布をほぼ均
等とする構造が実現し、GTOの能力を十に活用するこ
とができる。これにより装置として過剰な余裕をとるこ
となく設計をすることが可能となる。
【0072】本発明の請求項2記載の半導体素子スタッ
クでは、第1と第2の平型半導体素子に挟まれた冷却体
の冷却水溝の位置を、上記第1の平型半導体素子と上記
第2の平型半導体素子のうち発熱量の大きい平型半導体
素子に近い位置にすることにより、請求項1記載の半導
体素子スタックと同様な効果に加え、高い冷却効率を必
要とする素子と、高い冷却効率を必要としない素子に対
し効果的に冷却できる。
【0073】本発明の請求項3記載の半導体素子スタッ
クでは、2つの冷却体を設けることにより、請求項1記
載の半導体素子スタックと同様な効果に加え、冷却体の
等価剛体厚さが増大し,大きなポスト面を有する素子の
外周部分にも力が伝達され加圧力不足をなくすことがで
きる。よって、GTO8のポスト面での圧力分布におい
て、極端な圧力差のある部分がなくなり、ほぼ圧接力分
布をほぼ均等とする構造が実現し、GTOの能力を十に
活用することができる。これにより装置として過剰な余
裕をとることなく設計をすることが可能となる。
【0074】本発明の請求項4記載の半導体素子スタッ
クでは、第1の冷却体と第2の冷却体との間に導電性の
ディスクを設けたことにより、請求項1記載の半導体素
子スタックと同様な効果に加え、異口径素子で挟まれた
スタッキング部品の等価剛性を増大させ,加圧力による
力の伝達が45゜方向に広がるようにする作用があり、
このようにディスクをもちいることで,等価剛体厚さが
ほとんど期待できない水冷ヒートシンクの組み合わせで
も,圧接力不足をなくすことができる。よって、GTO
8のポスト面での圧力分布において、極端な圧力差のあ
る部分がなくなり、ほぼ圧接力分布をほぼ均等とする構
造が実現し、GTOの能力を十に活用することができ
る。これにより装置として過剰な余裕をとることなく設
計をすることが可能となる。
【0075】本発明の請求項5記載の半導体素子スタッ
クでは、請求項4記載の半導体素子スタックと同様な効
果に加え、加圧力分布の最適化、形状、重量の最適化が
可能となる。
【0076】本発明の請求項6記載の半導体素子スタッ
クでは、請求項4、5で用いたディスクの代わりに、導
電材料によるばねを挿入することにより、無荷重の状態
では、ばねの凸側が小径ポスト面素子と接する冷却体の
反対側の面に接し、ばねの凹側が大径ポスト面の素子と
接する冷却体の反対側の面に接し、所定の加圧力が加え
られると、ばねが完全につぶれて、全面で接触してい
る。このばねの反力により、大径ポスト面の素子の円周
部分の加圧力を増加させる。よって、GTO8のポスト
面での圧力分布において、極端な圧力差のある部分がな
くなり、ほぼ圧接力分布をほぼ均等とする構造が実現
し、GTOの能力を十に活用することができる。これに
より装置として過剰な余裕をとることなく設計をするこ
とが可能となる。
【0077】本発明の請求項7記載の半導体素子スタッ
クでは、調心手段と、絶縁座と、絶縁座に接触する冷却
体と、冷却体の絶縁座の接触面とは反対側の面に接触す
る平型半導体素子との関係が、式を満たすようにするこ
とにより、半導体スタックのスタッキング積層体への力
の伝達が効率よく伝達される。よって、GTO8のポス
ト面での圧力分布において、極端な圧力差のある部分が
なくなり、ほぼ圧接力分布をほぼ均等とする構造が実現
し、GTOの能力を十に活用することができる。これに
より装置として過剰な余裕をとることなく設計をするこ
とが可能となる。
【0078】
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施例の半導体素子スタックの正面図。
【図2】第1実施例の半導体素子スタックの一部分の拡
大図。
【図3】図1の半導体素子スタックの矢視Aの面におけ
る圧接力分布図。
【図4】第2実施例の半導体素子スタックの一部分の拡
大図。
【図5】第3実施例の半導体素子スタックの一部分の拡
大図。
【図6】第4実施例の半導体素子スタックの正面図。
【図7】第4実施例の半導体素子スタックの一部分の拡
大図。
【図8】第5実施例の半導体素子スタックの正面図。
【図9】第5実施例の半導体素子スタックの一部分の拡
大図。
【図10】第6実施例の半導体素子スタックの一部分の
拡大図。
【図11】第7実施例の半導体素子スタックの一部分の
拡大図。
【図12】第7実施例の半導体素子スタックの矢視Aの
面における圧接力分布図。
【図13】代表的なインバータ装置の主回路図。
【図14】インバータ回路の1相分のブリッジ回路図。
【図15】従来の半導体素子スタックを示す正面図。
【図16】従来の半導体素子スタックを示す側面図。
【図17】従来の半導体素子スタックの矢視Aの面にお
ける圧接力分布図。
【符号の説明】 8…GTO 9…フリーホイーリングダイオード 14…スタック 15…水冷ヒートシン
ク 16…押さえ板 17…球面部品 18…絶縁座 19…皿バネ 20…スタッド 21…ロックナット 22…接続導体 23…ディスク 24…皿バネ 25…平型半導体素子
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−30726(JP,A) 特開 昭58−89062(JP,A) 実開 昭55−74279(JP,U) 実開 昭53−135599(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 1/00 H02M 7/04

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ポスト径の異なる複数個の平型半導体素
    子とこれらの半導体素子を冷却する冷却水溝を有する複
    数個の冷却体とを積層させ、適所に主回路接続用の端子
    を備えた積層体と、この積層体を圧接保持する圧接保持
    部とからなる半導体素子スタックにおいて、前記複数個
    の冷却体のうち任意の冷却体と、前記冷却体を介して隣
    合う第1の平型半導体素子と第2の平型半導体素子の関
    係が、 φD2−φD1<2×(tFin −h) φD1:第1の平型半導体素子のポスト径 φD2:第2の平型半導体素子のポスト径 tFin :第1と第2の平型半導体素子に挟まれた冷却体
    の厚さ h :第1と第2の平型半導体素子に挟まれた冷却体
    の冷却水溝の高さ となることを特徴とする半導体素子スタック。
  2. 【請求項2】 前記冷却体の冷却水溝の位置を、前記第
    1の平型半導体素子と前記第2の平型半導体素子のうち
    発熱量の大きい平型半導体素子に近い位置にしたことを
    特徴とする請求項1記載の半導体素子スタック。
  3. 【請求項3】 ポスト径の異なる複数個の平型半導体素
    子とこれらの半導体素子を冷却する冷却水溝を有する複
    数個の冷却体とを積層させ、適所に主回路接続用の端子
    を備えた積層体と、この積層体を圧接保持する圧接保持
    部とからなる半導体素子スタックにおいて、ポスト径の
    異なる第1の平型半導体素子と第2の平型半導体素子と
    の間に、2つの第1の冷却体と第2の冷却体とを挟む構
    成とし、前記第1の平型半導体素子と前記第2の平型半
    導体素子と前記第1の冷却体と前記第2の冷却体との関
    係が、 tFin 1+tFin 2>(φD2−φD1)/2+h1+
    h2 φD1 :第1の平型半導体素子のポスト径 φD2 :第2の平型半導体素子のポスト径 tFin 1:第1の冷却体の厚さ tFin 2:第2の冷却体の厚さ h1 :第1の冷却体の厚み方向の冷却水溝の高さ h2 :第2の冷却体の厚み方向の冷却水溝の高さ となることを特徴とする半導体素子スタック。
  4. 【請求項4】 ポスト径の異なる複数個の平型半導体素
    子とこれらの半導体素子を冷却する冷却水溝を有する複
    数個の冷却体とを積層させ、適所に主回路接続用の端子
    を備えた積層体と、この積層体を圧接保持する圧接保持
    部とからなる半導体素子スタックにおいて、ポスト径の
    異なる第1の平型半導体素子と第2の平型半導体素子と
    の間に、2つの第1の冷却体と第2の冷却体とを挟み、
    更に、前記第1の冷却体と前記第2の冷却体との間に導
    電性のディスクを設けたことを特徴とする半導体素子ス
    タック。
  5. 【請求項5】 前記第1の平型半導体素子と前記第2の
    平型半導体素子と前記第1の冷却体と前記第2の冷却体
    と前記ディスクとの関係が、 φDDisk>φD2−2×(tFin2−h2) tDisk+tFin 1+tFin 2>(φD2−φD1)/2
    +h1+h2 φD1 :第1の平型半導体素子のポスト径 φD2 :第2の平型半導体素子のポスト径 φDDisk:ディスクの圧接面の径 tDisk :ディスクの厚み tFin 1:第1の冷却体の厚さ tFin 2:第2の冷却体の厚さ h1 :第1の冷却体の厚み方向の冷却水溝の高さ h2 :第2の冷却体の厚み方向の冷却水溝の高さ となることを特徴とする請求項4記載の半導体素子スタ
    ック。
  6. 【請求項6】 前記ディスクの代わりに導電性のばねを
    用いたことを特徴とする請求項4または請求項5記載の
    半導体素子スタック。
  7. 【請求項7】 ポスト径の異なる複数個の平型半導体素
    子とこれらの半導体素子を冷却する冷却水溝を有する複
    数個の冷却体とを積層させ、適所に主回路接続用の端子
    を備えた積層体と、この積層体を圧接保持する少なくと
    もスタックの中心を調節する調心手段と積層体に接触す
    る絶縁座とを有する圧接保持部とからなる半導体素子ス
    タックにおいて、前記調心手段と、前記絶縁座と、前記
    絶縁座に接触する冷却体と、前記冷却体の前記絶縁座の
    接触面とは反対側の面に接触する平型半導体素子との関
    係が、 φDZ >φDD −2×(tFin −h) tZ >(φDD −φDP )/2 φDZ :絶縁座の径 φDD :平型半導体素子のポスト面径 φDP :調心手段と絶縁座の接触径 tZ :絶縁座の厚み tFin :冷却体の厚み h :冷却体の厚み方向の冷却水溝の高さ となることを特徴とする半導体素子スタック。
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