JP4365938B2 - クランプされたスタック内にヒートシンクを保持するモールディング - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力半導体技術の分野に関する。詳しく述べれば、本発明は、特許請求の範囲の請求項１のプリアンブルに記載されているヒートシンクのためのホールダ、及び半導体、特に高電力コンバータのクランプされたスタックにおける好ましい使用方法に関する。このような半導体のクランプされたスタックは、例えばABB Technik 5 ( 1996 )の14−20頁に所載のP. Steimerらの論文

（高電力周波数コンバータのためのＧＴＯサイリスタの直列回路）により公知である。
【０００２】
【従来の技術】
公知の水冷式高電力コンバータにおいては、スタックを形成するために複数の電力半導体要素と、水を流すための冷却缶とが直列回路内で交互に組合されている。必要な電気的及び熱的特性は、連接棒による機械的な控え（ブレーシング）によって達成される。欠陥を生じた電力半導体要素を交換するためには、クランプされたスタックがゆるめられるが、それでもそのプロセス中全ての要素を、スタックの軸に心合わせされたそれらの位置に保持しなければならない。
【０００３】
冷却缶及び電力半導体要素を保持し、心合わせするために、及び冷却水供給ライン、冷却水出口ライン、及び電源及び制御ケーブルを固定するために、多数のプラスチック部品が設けられている。これらの分離したホールダは組立てに大いなる努力を必要とし、個々の要素の迅速交換を阻んでいる。
【０００４】
最新世代の電力半導体では、プレスパックケース内に容れられたＧＴＯサイリスタが、組合されているドライブユニットも配列されている基板に接続されている。従って、電力半導体要素及びドライブはユニットを形成している（前記論文の図５参照）。ドライブユニットが重いので、機械的な安定度を改善するには、ドライブユニット及び該ユニットが取付けられている基板を同じように保持しなければならない。
【０００５】
【発明の概要】
従って、本発明の一目的は、半導体のクランプされたスタック内に要素を保持するための新規な装置を提供することであり、本装置は、かなり簡易化され、よりコンパクトな設計であること、及び個々の電力半導体要素を迅速且つ容易に交換できるようになっていることを特徴としている。
【０００６】
上記目的は、ヒートシンク並びにそれに直接接している電力半導体要素を同時に保持し、心合わせする新しいモールディングによって達成される。これにより本発明によるモールディング、電力半導体要素、及びヒートシンクを含む新しい基本ユニットが得られ、この基本ユニットは多要素のクランプされたスタックを製造する上で最大の柔軟性を提供する。電力半導体要素及びヒートシンクは、電力半導体要素の１つの電極とヒートシンクの１つの冷却表面とが互いに対面し、重なり合うように位置決めされる。スタックを固定する時に、各ケース内で１つの電極及び１つの冷却表面が互いに他方に押付けられ、その結果スタックの要素間の熱的及び電気的伝導度が最適化される。
【０００７】
第１の好ましい実施の形態は、ヒートシンク及び電力半導体要素の両者が、ラッチ・イン型の取外し可能なファスナによって本発明によるモールディングに結合されることを特徴としている。これにより、電力半導体要素に充分な引張力が加えられた場合、対応するファスナがこの要素を再度解放するので、特に、電力半導体要素を容易に交換することができる。
【０００８】
第２の好ましい実施の形態は、２つの要素の最終位置がスタックとして心合わせされていることに加えて、本発明がこの最終位置に到達させ得る方法を限定していることである。この目的のために、本発明は電力半導体要素を取付けるための支援手段を設けている。この支援手段は、本発明によるモールディング上の案内手段と、電力半導体要素上にしっかりと取付けられた案内要素とからなっている。これらの案内要素は、例えばスタッドまたはベーンとして構成されていて電力半導体要素に直接結合され、モールディング上のレールまたはみぞの形状の適切な相手手段（案内手段）によって案内される。
【０００９】
詳しく説明すると、電力半導体要素をモールディングから取外す場合、これらの案内手段は、ヒートシンク及び電力半導体要素の接触表面が破壊しないように電力半導体要素を案内することができる。これを行うために、先ず最初にスタック全体がゆるめられ、例えばスタックと平行に走る連接棒によって案内されてスタック軸と平行に運動することができる個々の基本ユニットは、互いに幾分か分離される。ホールダの取外し中、案内手段によって、電力半導体要素はその電極がヒートシンクの対応する接触表面から斜めに分離されるように、従って接触表面を傷つけないように運動する。これは、ヒートシンクの接触表面とは平行ではない例えば案内みぞによる簡単な手法で達成される。
【００１０】
次の好ましい実施の形態は、始めに説明した型の電力半導体要素の使用方法に関しており、半導体はそのドライブと共に基板上に配置されている。この場合、案内要素は電力半導体要素に直接取付けられず、上記基板に取付けられており、ドライブユニットを機械的に支持するためにも使用される。必要ならば、基板自体が案内要素であることができ、対応する案内みぞ内に直接挿入しても差し支えない。
【００１１】
本発明のより完全な理解、及びその多くの付随する長所は、以下の添付図面に基づく説明から容易に得られるであろう。
【００１２】
【実施の形態】
添付図面においては、幾つかの図面を通して同一の部品、または対応する部品には同一の番号を付してある。図１及び２は、本発明によるモールディング１０の好ましい実施の形態を、冷却装置３０の多数の要素と共に示す斜視図である。図２には、基板４３にしっかりと結合されている電力半導体要素４１も示されている。
【００１３】
冷却装置３０は、本発明によるモールディング１０の対応するホールダ１１上に取付けられている冷却缶３１を含み、この冷却缶３１を通して水を流すようになっている。冷却缶３１と冷却水分配管（図示してない）及び冷却水収集缶３５との間の冷却水の供給ライン３６及び出口ライン３７は、多分ある最短の長さである必要がある。これは、冷却缶３１と導電性の管３５との間の何等かの電位差が腐食性の電解電流を発生し、それがある値を越えないようにしなければならないからである。必要な長さを達成するために、ライン３６、３７はスパイラル形状に構成することができる。それらのホールダ１４、１５は、冷却水ライン上の異なる静電電位にある２点間の接触を防いでいる。
【００１４】
電力半導体要素４１は、電気的及び熱的結合のための平らな円形電極４２（陽極、陰極）を両端面に設けてある円筒形のケース内に収められている。同じく円筒形である冷却缶３１は、半導体スタック内の各電力半導体要素の両側に配列されており、その接触表面３２、３３が電力半導体要素の電極４２と接触するようになっている。本発明によるモールディングを使用することによって、電力半導体要素は、各ケース内で隣接する冷却缶と対をなすように組合される。
【００１５】
図２に示す電力半導体要素４１は、基板４３にしっかりと結合されているＧＴＯサイリスタである。電力半導体要素４１を正確に位置決めする責を負っているホールダ１２、１３は、この場合には電力半導体要素４１に直接作用はしない。ホールダ１２、１３の中央部分はラッチング・インファスナ１８、１９であり、それらと対をなす相手片４５は基板４３上に取付けられている。図３に、このようなラッチング・インファスナをその相手片４５と共に示してある。相手片４５はファスナ内に挿入され、２つのラグ２１によってしっかりと保持されている。ラグ２１自体は、引張応力が加えられた時には相手片４５を、従って電力半導体要素を再び解放するようなサイズである。
【００１６】
取付け中、電力半導体要素４１は直接的に案内されないが、基板４３上に取付けられている案内要素（図示してない）によって案内される。この責を負っている案内手段１６、１７は、モールディング１０の一部としてベーン型に拡張された領域の形状を有している。図４に示すように、それらの内側には案内みぞ２０が設けられている。このみぞは電力半導体要素４１を取付ける時、基板４３を、従ってそれにしっかりと結合されている電力半導体要素を案内する。このみぞは傾斜させてあるので、電力半導体要素は、その最終位置に到着するまでその電極が冷却缶３１の接触表面と接触せず、そしてそれ以前に２つの表面４２、４３の間の摩擦を回避するように運動する。電力半導体要素が取付けられると、基板及びその上に位置しているドライブユニット４４は、案内手段１６、１７によって付加的に支持され、機械的に安定化される。
【００１７】
本発明による装置は、電気絶縁材料、好ましくはプラスチックで製造され、また射出成形プロセスを使用して経済的に製造することができる。
【００１８】
もしドライブユニット４４も基板４３上に含まれていれば、ドライブユニット４４へ給電するための接点装置２２もモールディング１０内に統合されることから、電力半導体要素４１の交換は更に簡単になる。給電ケーブル２３は、モールディング内にしっかりとアンカー止めされているソケット２４までモールディング内の切欠きを通すことが好ましい。ソケット２４の相手片としてのプラグ４６が基板４３上に配置されている。電力半導体要素を取付ける場合、電力半導体要素がスタックに対して心合わせされるその最終位置に到達すると、直ちに電源ケーブル２３とドライブ４４との間の接続が確立される。従って、電力半導体要素を交換する場合に行う必要があるのは、適切な点において、制御ケーブルを取外して古いドライブユニットから分離し、それを新しいドライブユニットに取付けることだけである。
【００１９】
上述した特色に加えて、半導体のクランプされたスタック内に本発明によるモールディングを使用するためのさらなる有利な実施の形態が提供される。
【００２０】
スタックを固定するのに必要な連接棒は、スタックに平行に走っている。この例では連接棒は管３５の形状であり、同時に冷却水を分配し、収集するためにも使用されている。本発明によるモールディング自体が連接棒上に取付けられているので、モールディングによって保持されている要素はスタック内に心合わせされる。図１は、クリップファスナ２６、２７によってモールディングをどのように冷却水収集管３５に取付るかを示している。このプロセス中に、モールディングがスタック軸の方向に完全にブロックされることがないように注意を払わなければならない。それは、スタックの締付け及びゆるめ中にモールディングを移動可能にしなければならないからである。一方、クリップファスナ２６、２７はスタック及び冷却水管に対して直角な面内に引張力をロードすることができる。換言すれば、引張りが加えられた時、クリップファスナ２６、２７は、ラッチング・インファスナ１８、１９よりも早めにたわんではならない。
【００２１】
総合的に言えば、複数の本発明によるモールディングを使用することにより、設計が簡易化され且つ機械的安定度が増した半導体のクランプされたスタックが得られる。更に、電力半導体要素を案内し、保持するためにレール及びラッチング・インファスナが設けられているので、欠陥を生じた電力半導体要素の交換が簡易化される。本発明による多機能ホールダは、射出成形部品として容易に、且つ経済的に製造することができる。
【００２２】
以上の開示から、本発明の多くの変更及び変化が可能であることは明白である。従って、特許請求の範囲内で本発明は、特定的に説明した以外に実現できることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるモールディングを、冷却装置の部品と共に示す斜視図である。
【図２】図１と同じであるが、基板上に取付けられた電力半導体要素を加えて示す図である。
【図３】ラッチング・インファスナの詳細を示す図である。
【図４】案内みぞの詳細を示す図である。
【符号の説明】
１０ モールディング
１１ 冷却缶用ホールダ
１２、１３ 半導体用ホールダ
１４、１５ 冷却水ライン用ホールダ
１６、１７ 案内手段
１８、１９ ラッチング・インファスナ
２０ 案内みぞ
２１ ラグ
２２ 接点装置
２３ 給電ケーブル
２４ ソケット
２６、２７ クリップファスナ
３０ 冷却装置
３１ 冷却缶
３２、３３ 接触表面
３５ 冷却水収集管
３６、３７ 冷却水ライン
４１ 電力半導体要素
４２ 電極
４３ 基板
４４ ドライブユニット
４５ ラッチング・インファスナの相手片
４６ プラグ

Claims (7)

1. 液体冷却ヒートシンク（３１）を保持するための第１の保持手段（１１）を含むモールディング（１０）において、上記ヒートシンクは少なくとも１つの接触表面（３３）を有し、且つ少なくとも１つの平坦な電極（４２）を有する少なくとも１つの電力半導体要素（４１）を冷却するために使用されるようになっており、
   上記モールディングは、上記電力半導体要素（４１）が結合されている基板（４３）を保持するための第２の保持手段（１２、１３）を有し、
   上記第２の保持手段（１２、１３）には、基板(４３)に結合されている上記電力半導体要素（４１）の取付け及び取外し中、上記基板を案内するための案内手段（１６、１７）が設けられており、該案内手段は、みぞまたはレール（２０）を含み、該案内手段は、上記取付け処理により上記電力半導体要素が最終位置に到達した時に、上記電力半導体要素（４１）の電極（４２）が、上記ヒートシンク（３１）の接触表面（３３）に沿って重ね合わされるように、上記電力半導体要素（４１）の電極（４２）を実質的に位置決めするようにすることを特徴とするモールディング。
2. 上記第２の保持手段（１２、１３）は、少なくとも１つのファスナ（１８、１９）を有し、上記ファスナは、上記基板に取り付けられた相手片(４５)にラッチ・インし、上記ファスナは、該ラッチ・インした上記相手片(４５)から再度取外しできるようになっている請求項１に記載のモールディング。
3. 上記基板を案内するための上記案内手段（１６、１７）は、上記電力半導体要素（４１）の取外し中、上記電力半導体要素の電極（４２）が、完全に上記接触表面の平面に全くない案内された運動によって上記ヒートシンク（３１）の接触表面（３３）から分離されるように設計されている請求項１に記載のモールディング。
4. 上記電力半導体要素（４１）に組合されているドライブユニット（４４）に給電するための電気接点装置（２２）が設けられており、上記電気接点装置は電源ケーブル（２３）に接続され、上記電力半導体要素の取付け及び取外し中にそれぞれ、上記ドライブユニットと電気的な動作接続を行うか、またはこの接続を中断するようになっている請求項３に記載のモールディング。
5. 少なくとも１つの冷却液ライン（３６、３７）を保持するための第３の保持手段（１４、１５）が第２の保持手段（１２、１３）に設けられている請求項４に記載のモールディング。
6. 上記モールディングは、射出成形プロセスを使用して製造されたプラスチックボディを有することを特徴とする請求項１−３または請求項５の何れか１つに記載のモールディング。
7. 電力半導体要素及びヒートシンクを半導体のクランプされたスタック内に保持し、心合わせするために、請求項１−６の何れか１つに記載の少なくとも１つのモールディングを使用する方法において、複数の電力半導体要素と液冷ヒートシンクとが交互に配列されており、上記モールディング自体は、上記モールディングが上記スタックの方向に運動可能のままであるように、上記クランプされたスタックと平行に走る少なくとも１つのロッド（３５）に結合されることを特徴とする方法。

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