JP3750486B2

JP3750486B2 - スタック構造体の導体接続方法及びスタック構造体

Info

Publication number: JP3750486B2
Application number: JP2000146343A
Authority: JP
Inventors: 豊忠中村
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2000-05-18
Filing date: 2000-05-18
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2020-05-18
Also published as: JP2001326324A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数部品の積層体から構成されるスタック構造体の２つの電気部品の導体同士を接続するスタック構造体の導体接続方法に係り、特に半導体素子と冷却部品とが交互に積層された半導体スタックの半導体素子同士の導体を接続するスタック構造体の導体接続方法に関する。また、この発明は、この導体接続方法によって接続された電気部品の積層体から構成されるスタック構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大電流や高電圧の下で電気部品を動作させるために、複数の電気部品を他の部品を介して積層してスタックを構成し、このスタック内の各電気部品同士の導体を直列又は並列に電気的に接続して用いるのが一般的である。例えば、パルス幅変調制御を行うインバータとして、複数のゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯサイリスタ）と冷却体とを交互に積層することによってインバータスタックを構成している。すなわち、ＧＴＯサイリスタは、通電中に接合部温度が所定温度を超えると熱破壊してその機能を喪失するので、接合部温度が所定温度よりも大きくならないように沸騰冷却装置の冷却体とＧＴＯサイリスタとを交互に積層することによってインバータスタックを構成している。
【０００３】
図２は、従来のインバータスタックにおいて半導体素子がどのように接続されていたのかを示す概略図である。図では、２個の平型ＧＴＯサイリスタ１０，１２を、絶縁板となる窒化アルミニウム（ＡＬＮ）板１４〜１７を介して沸騰冷却装置２０の冷却体２２〜２４に加圧接触させることによって、冷却体２２、ＡＬＮ板１４、ＧＴＯサイリスタ１０、ＡＬＮ板１５、冷却体２３、ＡＬＮ板１６、ＧＴＯサイリスタ１２、ＡＬＮ板１７、冷却体２４からなる積層体、すなわちインバータスタックが構成されている。沸騰冷却装置２０は、共通凝縮器２５、ベローズ気相管を含む連結管２６〜２８、液戻し管２９〜３１及び冷却体２２〜２４から構成される。ＧＴＯサイリスタ１０，１２の発熱はＡＬＮ板１４〜１７を介して冷却体２２〜２４に伝達する。冷却体２２〜２４では、その熱によって冷媒が沸騰して気化する。気化した冷媒は、連結管２６〜２８を上昇して共通凝縮器２５に導かれ、そこで液化される。液化された冷媒は、共通凝縮器２５に一時的に貯留され、液戻し管２９〜３１を介して冷却体２２〜２４に落下して戻るようになっている。沸騰冷却装置は、冷却体２２〜２４で冷媒を沸騰させて気化し、共通凝縮器２５でそれを液化させることによって、ＧＴＯサイリスタ１０，１２の温度上昇を抑制している。
【０００４】
このようにインバータスタックを構成する電気部品である半導体素子すなわちＧＴＯサイリスタ１０，１２の導体同士を接続する場合、その接続導体は個々の部品の持つ寸法誤差を吸収した上で良好な接触状態と接触面積を確保する必要がある。一方、ＧＴＯサイリスタ１０，１２のアノード導体１０Ａ，１２Ａ及びカソード導体１０Ｋ，１２Ｋは、その面の平坦及び平面度等が規定されていると共に経時的にその状態が変化しないことが要求されているため、一般的には、可撓性を示さない不可撓性の１枚の銅板で構成されている。従って、図２に示すように、ＧＴＯサイリスタ１０，１２が冷却体２２〜２４に加圧接触され、お互いが直列に接続されるような場合に、ＧＴＯサイリスタ１０のアノード導体１０Ａの端部とＧＴＯサイリスタ１２のカソード導体１２Ｋの端部とが互いに平行になるように屈曲加工され、また、もう一方のアノード導体１２Ａ及びカソード導体１０Ｋも、アノード導体１０Ａとカソード導体１２Ｋとを締め付けるボルト５５及びナット５６との絶縁距離を確保するために屈曲加工されている。このような構成において、個々の部品の製作誤差を考慮し、アノード導体１０Ａとカソード導体１２Ｋとの間にあらかじめ隙間を確保しておき、アノード導体１０Ａとカソード導体１２Ｋに応力が掛からないようにその端部間にはスペーサー１３が挿入され、ボルト５５とナット５６で締め付け接続されている。
【０００５】
図３は、従来のインバータスタックにおいて半導体素子がどのように接続されているのかを示す別の概略図である。図３において、図２と同じ構成のものには同一の符号が付してあるので、その説明は省略する。このインバータスタックでは、ＧＴＯサイリスタ１０，１２のアノード導体１０Ａとカソード導体１２Ｋは、何も加工されておらず、可撓性のあるフレキシブルリード４０を介してその端部同士がボルト５５，５７とナット５６，５８で締め付け接続されている。なお、ＧＴＯサイリスタ１０のカソード導体１０ＫとＧＴＯサイリスタ１２のアノード導体１２Ａは、締め付け用のボルト５５，５７との間の絶縁距離を確保するために、図に示すような階段状に屈曲加工されている。なお、図２及び図３において、ＧＴＯサイリスタ１０のカソード導体１０ＫとＧＴＯサイリスタ１２のアノード導体１２Ａは、それぞれボルト５１，５３とナット５２，５４で外部導体に締め付け接続されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図２の従来技術では、隙間を予め見込んでＧＴＯサイリスタ１０，１２のアノード導体１０Ａとカソード導体１２Ｋを屈曲加工し、インバータスタックを構成した際にアノード導体１０Ａとカソード導体１２Ｋとの間にできる隙間にスペーサー１３を現物合わせで調整しながら挿入し、ボルト締めしている。また、図３の従来技術では、ＧＴＯサイリスタ１０のアノード導体１０ＡとＧＴＯサイリスタ１２のカソード導体１２Ｋの先端にフレキシブルリード４０の両端部をボルト締めで接続している。従って、導体の形状を加工したり、ボルト締めしたりするために時間を要し、スタックの全体的な組み立て時間が増大するという問題がある。また、図２の場合には、スペーサ、ボルト、ナット、ワッシャー等の部品が必要であり、図３の場合には、フレキシブルリード４０の両端部にそれぞれボルト、ナット、ワッシャー等の部品が必要であり、部品点数の増大を招くという問題もある。さらに、各導体間やボルトやナット等との間の絶縁距離を確保するために、収納スペース等が増加するという問題もある。
【０００７】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、組み立て時間、部品点数、収納スペースなどを増加させることなくスタックを構成する電気部品の導体同士を容易に接続することのできるスタック構造体の導体接続方法及びスタック構造体を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載されたスタック構造体の導体接続方法の発明は、不可撓性導体を備えた複数の電気部品と、前記電気部品以外の複数の部品との積層体からなるスタック構造体の二つの電気部品の前記不可撓性導体同士を電気的に接続するスタック構造体の導体接続方法において、可撓性導体を用いて、前記可撓性導体の一方の端面と前記一方の電気部品の前記不可撓性導体の端面とを電子ビーム溶接で接続し、前記可撓性導体の他方の端面と前記他方の電気部品の前記不可撓性導体の端面とを電子ビーム溶接で接続したものである。この発明は、可撓性導体を電子ビーム溶接で接続しているので、組み立て時間は短くでき、ボルトやナットなどの締め付けるための部品が省略できる。また、電子ビーム溶接で接続することによって、電気部品の不可撓性導体と可撓性導体との接触面状態を良好に維持することができる。また、可撓性導体によって接続されているので各部品の寸法誤差を吸収することができると共に収納スペースを極力抑えることができるという効果がある。
【０００９】
請求項２に記載されたスタック構造体の導体接続方法の発明は、請求項１において、前記可撓性導体を、複数枚の薄板の積層体で構成したものである。積層する薄板の幅及び枚数に応じて、その断面形状を任意の大きさの長方形にすることができるので、電気部品の不可撓性導体の断面形状とほぼ等価の断面形状の端部を有する可撓性導体を容易に作成することができる。
【００１０】
請求項３に記載されたスタック構造体の導体接続方法の発明は、請求項１において、前記スタック構造体を、半導体素子手段と、この半導体素子手段を冷却する冷却手段との積層体からなる半導体スタックで構成したものである。スタック構造体には、種々の電気部品を積層したものがあるが、この発明ではその電気部品を冷却の必要な半導体素子に限定した。冷却の必要な半導体素子は大電流高電圧用のものが多く、不可撓性の導体を有する場合が多いからである。
【００１１】
請求項４に記載されたスタック構造体の導体接続方法の発明は、請求項１において、前記可撓性導体が全体的にＵ字型形状となっているものである。電子ビーム溶接によって可撓性導体が全体的にＵ字型形状になると、この可撓性導体によって無駄なスペースが発生しなくなるという効果を有する。
【００１２】
請求項５に記載されたスタック構造体の発明は、不可撓性導体を備えた複数の電気部品と、前記電気部品以外の複数の部品との積層体からなるスタック構造体において、可撓性導体を備えるとともに、前記可撓性導体の一方の端面が前記一方の電気部品の前記不可撓性導体の端面に電子ビーム溶接で接続され、前記可撓性導体の他方の端面が前記他方の電気部品の前記不可撓性導体の端面に電子ビーム溶接で接続されることによって二つの前記電気部品の前記不可撓性導体同士が電気的に接続されるようにしたものである。この発明は、請求項１に記載されたスタック構造体の導体接続方法によって構成された可撓性導体を有するスタック構造体に関するものである。従って、上述した請求項１の発明と同じような種々の効果を享受することができるものである。
【００１３】
請求項６に記載されたスタック構造体の発明は、請求項５において、前記可撓性導体を、複数枚の薄板の積層体で構成したものである。これは、請求項２の発明と同様の内容であり、電気部品の不可撓性導体の断面形状とほぼ等価の断面形状の端部を有する可撓性導体を容易に作成することができる。
【００１４】
請求項７に記載されたスタック構造体の発明は、請求項５において、前記スタック構造体を、半導体素子手段と、この半導体素子手段を冷却する冷却手段との積層体からなる半導体スタックで構成したものである。これは、請求項３の発明と同様の内容であり、スタック構造体を構成する電気部品を冷却の必要な半導体素子に限定したものである。
【００１５】
請求項８に記載されたスタック構造体の発明は、請求項５において、前記可撓性導体が全体的にＵ字型形状となっているものである。これは、請求項４の発明と同様の内容であり、可撓性導体によって無駄なスペースが発生しなくなるという効果を有する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。図１は、本発明のスタック構造体の導体接続方法及びスタック構造体の概略構成を示す図である。図では、２個の平型ＧＴＯサイリスタ１０，１２を絶縁板となる窒化アルミニウム（ＡＬＮ）板１４〜１７を介して沸騰冷却装置２０の冷却体２２〜２４に加圧接触させることによって、冷却体２２、ＡＬＮ板１４、ＧＴＯサイリスタ１０、ＡＬＮ板１５、冷却体２３、ＡＬＮ板１６、ＧＴＯサイリスタ１２、ＡＬＮ板１７、冷却体２４からなる積層体、すなわちインバータスタックが構成されている。沸騰冷却装置２０は、共通凝縮器２５、ベローズ気相管を含む連結管２６〜２８、液戻し管２９〜３１及び冷却体２２〜２４から構成される。共通凝縮器２５は、大気との間で熱交換を行って気化した冷媒を凝縮させて液化し、内部に貯留するものである。冷却体２２〜２４は、銅やアルミニウムなどの金属ブロックを機械加工により箱型に削り出し、その内部に放熱用のフィンや仕切り板を多数有し、そこに冷媒を貯留するような構成になっている。この冷媒にはエチレングリコール水溶液などの導電性冷媒を使用する。従って、ＧＴＯサイリスタ１０，１２と冷却体２２〜２４との間には、絶縁用のＡＬＮ板１４〜１７が挿入されている。従って、冷媒にフロンやフロロカーボンなどの絶縁性冷媒を使用する場合には、このＡＬＮ板１４〜１７を省略することができる。
【００１７】
冷却体２２〜２４と共通凝縮器２５は、連結管２６〜２８及び液戻し管２９〜３１によって接続されている。連結管２６〜２８と液戻し管２９〜３１は、２重管構造となっており、冷却体２２〜２４で加熱沸騰して気化した冷媒は外側管の連結管２６〜２８と内側管の液戻し管２９〜３１との間を上昇し、共通凝縮器２５に導かれる。連結管２６〜２８の一部に設けられたベローズ気相管は、温度変化による各部の膨張・収縮を吸収するものである。なお、ベローズ気相管以外にも、冷却体２２〜２４と共通凝縮器２５との間を絶縁するための絶縁管を連結管２６〜２８の途中に設ける場合がある。
【００１８】
ＧＴＯサイリスタ１０，１２からの発熱はＡＬＮ板１４〜１７を介して冷却体２２〜２４に伝達する。冷却体２２〜２４では、その熱によって冷媒が沸騰して気化する。気化した冷媒は、外側管の連結管２６〜２８と内側管の液戻し管２９〜３１との間を上昇して共通凝縮器２５に導かれ、そこで液化される。液化された冷媒は、共通凝縮器２５に一時的に貯留し、液戻し管２９〜３１を介して冷却体２２〜２４に落下して戻るようになっている。このようにして、沸騰冷却装置２０は、冷却体２２〜２４で冷媒を沸騰させて気化し、共通凝縮器２５でそれを液化させることによって、ＧＴＯサイリスタ１０，１２の温度上昇を抑制している。
【００１９】
この実施の形態に係るスタック構造体の導体接続方法では、ＧＴＯサイリスタ１０，１２から引き出されたアノード導体１０Ａとカソード導体１２Ｋの断面形状とほぼ等価の断面形状を有する複数の薄板群から構成されるフレキシブルリード４０を電子ビーム溶接にてＵ字型形状となるように各導体に溶接接合している。電子ビーム溶接は、溶接される導体端面と薄板群によって形成される端面との突き合わせ部に対して平行に電子ビームが照射され、突き合わせ部の導体金属及び薄板金属の両方を溶解させることによって両者を接着させるものである。両金属の突き合わせ部に形成される隙間はなるべく小さいことが望ましい。従って、両金属の突き合わせ部の表面を研磨して、隙間が極小になるように予め加工しておく必要がある。
【００２０】
このように電子ビーム溶接を用いてフレキシブルリード４０をＵ字型形状となるように接合することによって、ＧＴＯサイリスタ１０，１２のアノード導体１０Ａとカソード導体１２Ｋとフレキシブルリード４０との接触面状態を良好に維持することができると共に各部品の寸法誤差を吸収することができる。また、両者の接合は蝋付けやＴＩＧ溶接などでも可能である。しかしながら、これらの接合方法では、アノード導体１０Ａやカソード導体１２Ｋの接触面を酸化防止の目的よりメッキする必要があり、それぞれの導体表面を先にメッキすると蝋付けやＴＩＧ溶接の熱によってメッキ部が剥離してしまい、溶接後にメッキしようとすると、フレキシブルリード４０の薄板の間にメッキ溶液が毛細管現象によって浸入し、その除去が非常に困難になり、時間の経過と共に導体表面から腐食するという問題がある。これに対して、熱密度の大きな電子ビーム溶接を採用することにより、先に導体にメッキを施し、そのメッキを損傷させることなく薄板と導体との溶接を行うことができる。
【００２１】
なお、上述の実施の形態では、スタック構造体として、ＧＴＯサイリスタと冷却体の積層体から構成されるインバータスタックを例に説明したが、これに限らず、これ以外の半導体スタック、燃料電池スタック、ダイオード整流器スタック、パワー半導体スタック、半導体スイッチスタックなどの各スタックを構成する電気部品の導体同士を接続する場合にも同様に適用することができる。また、上述の実施の形態では、発熱体を個別に冷却する個別冷却方式を例に説明したが、一括冷却方式の場合にも同様に適用することができる。上述の実施の形態では、インバータスタックが２個のＧＴＯサイリスタ１０，１２と３個の冷却体２２〜２４によって構成された場合について説明したが、これ以上の個数のＧＴＯサイリスタ及び冷却体から構成されるインバータスタックにも同様に適用することができる。上述の実施の形態では、連結管を気相管と戻し管の２重管構造の場合を例に説明したが、気相管と戻し管を別個に配置したものにも同様に適用することができる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明のスタック構造体の導体接続方法及びスタック構造体によれば、組み立て時間、部品点数、収納スペースなどを増加させることなくスタックを構成する電気部品の導体同士を容易に接続することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスタック構造体の導体接続方法及びスタック構造体の概略構成を示す図
【図２】従来のインバータスタックにおいて半導体素子がどのように接続されていたのかを示す概略図
【図３】従来のインバータスタックにおいて半導体素子がどのように接続されているのかを示す別の概略図
【符号の説明】
１０，１２ＧＴＯサイリスタ
１３スペーサー
１４〜１７冷却体
２０沸騰冷却装置
２２〜２４冷却体
２５共通凝縮器
２６〜２８連結管
２９〜３１液戻し管
１０Ａ，１２Ａアノード導体
１０Ｋ，１２Ｋカソード導体
５１，５３，５５ボルト
５２，５４，５６ナット
４０フレキシブルリード

Claims

不可撓性導体を備えた複数の電気部品と、前記電気部品以外の複数の部品との積層体からなるスタック構造体の二つの電気部品の前記不可撓性導体同士を電気的に接続するスタック構造体の導体接続方法において、
可撓性導体を用いて、前記可撓性導体の一方の端面と前記一方の電気部品の前記不可撓性導体の端面とを電子ビーム溶接で接続し、前記可撓性導体の他方の端面と前記他方の電気部品の前記不可撓性導体の端面とを電子ビーム溶接で接続したことを特徴とするスタック構造体の導体接続方法。
請求項１において、
前記可撓性導体は、複数枚の薄板の積層体で構成されていることを特徴とするスタック構造体の導体接続方法。
請求項１において、
前記スタック構造体は、半導体素子手段と、この半導体素子手段を冷却する冷却手段との積層体からなる半導体スタックで構成されることを特徴とするスタック構造体の導体接続方法。
請求項１において、
前記可撓性導体が全体的にＵ字型形状となっていることを特徴とするスタック構造体の導体接続方法。
不可撓性導体を備えた複数の電気部品と、前記電気部品以外の複数の部品との積層体からなるスタック構造体において、
可撓性導体を備えるとともに、前記可撓性導体の一方の端面が前記一方の電気部品の前記不可撓性導体の端面に電子ビーム溶接で接続され、前記可撓性導体の他方の端面が前記他方の電気部品の前記不可撓性導体の端面に電子ビーム溶接で接続されることによって二つの前記電気部品の前記不可撓性導体同士が電気的に接続されるようにしたことを特徴とするスタック構造体。
請求項５において、
前記可撓性導体は、複数枚の薄板の積層体で構成されることを特徴とするスタック構造体。
請求項５において、
前記スタック構造体は、半導体素子手段と、この半導体素子手段を冷却する冷却手段との積層体からなる半導体スタックで構成されることを特徴とするスタック構造体。
請求項５において、
前記可撓性導体が全体的にＵ字型形状となっていることを特徴とするスタック構造体。