JP4620910B2 - 平型半導体素子用スタック - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、平型半導体素子とヒートシンクを交互に積層し弾性的な押圧力(加圧力)を加えてなる平型半導体素子用スタックに係り、特に素子の交換を容易に行うことができ、また加圧の再設定を正確に行うことが可能な平型半導体素子用スタックに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体素子を用いて構成した電力変換装置は大容量化(高電圧化)の傾向にあり、それに伴い多数個の半導体素子が用いられるようになってきている。この電力変換装置は複数個の平型半導体素子と、その平型半導体素子を冷却するためのヒートシンクを交互に積層して構成した積層体に弾性的な押圧力を負荷する加圧機構部、フレームとしてのスタッドボルト及び加圧支持板等から構成してなる平型半導体素子用スタック(以下単にスタックと言う)を電力変換装置の回路構成要素として多数使用している。
【0003】
以下、電力変換装置に使用している従来の半導体スタック例を、図11を用いて説明する。スタック1は複数個の平型半導体素子3及ぴヒートシンク4を交互に積層して構成した積層体と、この積層体の両端に配置した電気回路接続端子となる導体5と、その外側に絶縁スペーサ6を配置し、一方の端部に設けられるばねの取付け座も兼ねた球面座9と皿ばね7とこれらを両端部で支持する加圧支持板8A,8Bとスタッドボルト2、固定ナット11A、11Bとから構成されている。
【0004】
このように構成された平型半導体素子用スタック1に弾性的な加圧力を保持させる方法は2種類ある。一つはスタッドボルト2に取付けた固定ナット11Bを締めて下部の加圧支持板8Bを固定した後、図示しないプレス機により所定の加圧力を上部の加圧支持板8Aに加える方法である。この状態ではスタッドボルト2には引張力は加わっていない。
【0005】
次に固定ナット11Aをプレス機で加圧した状態で締め、プレス機の加圧を抜き、プレス機を取り去る。これによりスタッドボルト2には加圧力の反力としての引張力と伸びが生じる。そのため、スタッドボルト2の伸び分を見込んで所定の押圧力を加える。
【0006】
もう一つの方法は、スタッドボルト2の固定ナット11Aを規定の締付けトルクで直接加圧するものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
電力変換装置に用いられているGTOやIGBT、サイリスタ等の平型半導体素子は、冷却のためのヒートシンクや通電のための導体と共に数トンという高荷重で加圧して使用するが、素子の破壊等で故障した場合には素子を交換する必要がある。この交換作業は、スタッドによる加圧力を抜いて、スタックの一部またはその殆どを分解して行なう。
【0008】
分解するまでもない場合は平型半導体素子とヒートシンクの間に隙間を設け、平型半導体素子を引き抜いて交換する。この隙間を設けるときに加圧力を抜いてもスタックのヒートシンクや平型半導体素子の自重は数十キロありこれを支持するための治具を必要とした。
【0009】
また、素子交換は電力変換装置の設置場所で行なわれるため、サイリスタバルブの場合それが高所であったり、或いはインバータ等の場合では盤内に取付けた状態で作業することが多く、そのため作業スペースが限られ交換作業に用いる装置や冶具を小型軽量にする必要があった。
【0010】
従来、加圧力はボルトの締付けトルクやばねの変位量を直接読んで検出していた。近年、平型半導体素子は大容量化に伴い直径が大きくなり加圧力も直径の2乗倍で増大していること等から、確実に加圧できて、その加圧力を表示確認できる構造が要求されるようになってきている。
【0011】
本発明は、上記点に鑑みてなされたもので、積層体の自重を確実に保持でき、素子交換を容易に行うことができ、また再加圧力を検出し確認することができる平型半導体素子用スタックを提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1の発明における平型半導体素子用スタックは、対向配置した加圧支持板間に複数個の平型半導体素子とヒートシンクとを交互に積層した積層体を配置し、この積層体の両端に導体及び絶縁スペーサを配置し、少なくとも一方の絶縁スペーサと前記一方の加圧支持板間に加圧のための弾性体を配置し、前記対向する加圧支持板間を連結するように設けたスタッドボルトの締め付けにより前記弾性体を圧縮して積層体に加圧力を付加すると共に前記加圧力を保持するようにし、一端側に設けた大径球面座が前記積層体に当接し他側が前記弾性体を貫通するとともに加圧支持板を貫通して外方に突出するねじ部を有し且つ前記加圧支持板から突出するねじ部に取り付けられる盤部材を備えた加圧力判断部材を設け、前記平型半導体素子を挟む一対のヒートシンク間に設けられヒートシンクと平型半導体素子の間に隙間をつくる隙間形成手段を有し、前記隙間形成手段は、前記平型半導体素子を挟む1対のヒートシンクの四隅に設けた貫通穴に挿入した支柱と、ヒートシンク側面に穿った前記貫通穴に直交するねじ穴にねじ込まれる一部テーパのついたテーパ付ボルトから成ることを特徴とする。
【0017】
この構成によれば、スタック側面のボルトをねじ込むとテーパ部のくさび効果で小さな力で平型半導体素子3とヒートシンクを分離することができる。
【0018】
請求項2の発明における平型半導体素子用スタックは、対向配置した加圧支持板間に複数個の平型半導体素子とヒートシンクとを交互に積層した積層体を配置し、この積層体の両端に導体及び絶縁スペーサを配置し、少なくとも一方の絶縁スペーサと前記一方の加圧支持板間に加圧のための弾性体を配置し、前記対向する加圧支持板間を連結するように設けたスタッドボルトの締め付けにより前記弾性体を圧縮して積層体に加圧力を付加すると共に前記加圧力を保持するようにし、一端側に設けた大径球面座が前記積層体に当接し他側が前記弾性体を貫通するとともに加圧支持板を貫通して外方に突出するねじ部を有し且つ前記加圧支持板から突出するねじ部に取り付けられる盤部材を備えた加圧力判断部材を設け、前記平型半導体素子を挟む一対のヒートシンク間に設けられヒートシンクと平型半導体素子の間に隙間をつくる隙間形成手段を有し、前記隙間形成手段は、前記平型半導体素子を挟む1対のヒートシンクの側面であって且つ対向する側面に夫々取り付けられる角材と、前記一対のヒートシンク間の対向する前記角材間に配置される段付ボルトと、この段付ボルトに対して直角方向に前記角材に穿った一部テーパ状の貫通穴に挿通されヒートシンクにねじ込まれるテーパ付ボルトとから構成した素子交換冶具であることを特徴とする。
【0019】
この構成によれば、ボルトをねじ込んだ角材の側面に一部テーパの付いたボルトをねじ込むことで角材とねじ込んだボルトのテーパ部のくさび効果によりヒートシンクと平型半導体素子間に隙間を設け、平型半導体素子を交換することができる。また、素子交換後は素子交換冶具を取外すことができるので各種ヒートシンクに取付け可能である。
【0020】
請求項3の発明における平型半導体素子用スタックは、請求項1に記載の平型半導体素子用スタックにおいて、前記ヒートシンクと前記平型半導体素子との接触面におけるヒートシンク表面であって前記平型半導体素子のポスト直径の外側に輪状の溝を設けたことを特徴とする。
【0021】
この構成によれば、ヒートシンクは平型半導体素子のポスト面と常に同じ面積で接触するため良好な接触状態が再現できるようになる。
【0022】
【発明の実施の形態】
図1、2は、本発明の第1、第2、第3の実施の態様を示す図である。図において、スタック1は、2本または4本のスタッドボルト2及び固定ナット11A、11Bで連結固定される加圧支持板8A、8Bでスタッキングのためのフレームを構成し、このフレームの前記加圧支持板8A、8Bの対向面間に複数個の平型半導体素子3とヒートシンク4とを交互に積層して構成した積層体の両端部に電気回路接続端子となる導体5と絶縁スペーサ6を挟み込む。
【0023】
前記積層体下部の絶縁スペーサ6と加圧支持板8B間に、詳細を図2で示す目盛円盤10がねじ込まれる球面座9を有する加圧力判断部材90と皿ばね7を挿入配置する。
【0024】
図2において加圧力判断部材90は一側が絶縁スペーサ6に当接する大径の球面座9と、反当接面側にねじ部9Aを一体に設けて構成してあり、このねじ部9Aの自由端は皿ばね7及び加圧支持板8Bに設けた貫通穴を貫通して加圧支持板8Bの外方に突出している。このねじ部9Aの外方突出部に、周囲に目盛を刻んだ目盛円盤10をねじ込んでいる。
【0025】
尚、上記実施の態様では、ねじ部9Aはその全長に亘りねじ部としたが、前記目盛円盤10が所定量移動できる範囲内でねじが形成されていればよい。
【0026】
本実施の態様によれば、スタック1への加圧力付与は例えばスタッドボルト2の固定ナット11Bを締めて下部の加圧支持板8Bを固定した後、プレス機により所定の圧力を上部の加圧支持板8Aに加え、この状態で固定ナット11Aを締め付けることによって与えられる。即ち下部加圧板8Bが皿ばね7を圧縮し、その反発力が球面座9を介して積層体に与えられる。
【0027】
ここで加圧力が加えられたかどうか判断する加圧力判断手段部の説明をする。図2に示すように積層体が加圧され球面座9を介して皿ばね7が圧縮されることにより、球面座9のねじ部9Aにねじ込まれている目盛円板10と加圧支持板8との間に隙間Gが生じる。この隙間Gが何mmあるかを測定すれば、前もって確認されているばねの加圧力―変位特性から、ばね変位=隙間として加圧力を求め判断することができる。
【0028】
例えば、目盛円板10を回転して、この隙間Gを下部加圧支持板8Bに接触するまでねじ込む。今、圧縮変位量が6mmのときの加圧力が6トンの皿ばねを用いた場合、ねじピッチが3mmであると、この目盛円板10は2回転する。また、この目盛円板10が60度回転すると500キログラム加圧されることになる。
【0029】
このように加圧時に目盛円板10が加圧支持板8Bに接触するまでねじ込むだけで、スタック組立時や素子交換時の加圧力のチェックなど、いかなる状態のときでも加圧力を測定することができる。尚、加圧力測定後は、積層体の熱膨張収縮による皿ばね7の伸縮を妨げないように目盛円板10を所定の位置まで緩めるか取外しておくのが好ましい。
【0030】
一方、加圧力を固定して平型半導体素子3に加圧力が加わらないようにする手段部につき説明する。この操作は、前記加圧力が加えられたかどうか判断する手段である図2に示す目盛円板10を加圧後締め付けることによって行う。この状態で固定ナットによる加圧力を抜くと加圧力は皿ばねを圧縮したままスタック内に固定され、積層体には皿ばねの反力としての圧縮力が作用しなくなる。
【0031】
前記加圧は、図示しないが上部加圧支持板8Aを固定ナット11Aを緩めた状態で外部から圧縮し、目的の加圧力に達した時にナット11Aを締めて加圧力を保持する。一方加圧力を抜く場合は、上部加圧支持板8Aを加圧した状態でナット11Aを緩めて行う。
【0032】
図3、図4、図5は、ヒートシンク4と平型半導体素子3の間に隙間をつくる手段の実施の態様を示す平型半導体素子とヒートシンク部の一部の正面図、平面図、及び側面図である。
【0033】
図3、図4および図5において、一つの平型半導体素子3の両側に位置するヒートシンク4の夫々四隅に互いに対向する貫通穴40を設けている。この各貫通穴40に直交するねじ穴130をヒートシンク4の側面から穿ってある。そしてねじ穴130にはテーパ付ボルト13がねじ込まれる。
【0034】
12A、12Bは前記貫通穴40に夫々挿入される一端部に丸み加工を施した円弧部を有する支柱で、この支柱12A、12Bの前記一端部はテーパ付ボルト13を所定量ねじ込んだ時にボルト13のテーパ部と接触するようになっている。
【0035】
従って更にボルト13をねじ込んでいくとこれによって支柱12A、12Bの他端面間が強く当接するものである。換言すればテーパ付ボルト13を外す方向に回動させそのテーパ部が貫通穴40の位置より外方に位置してねじ部が貫通穴40に位置しているときは支柱12A、12Bの他端面間は殆ど単に接触しているだけの状態である。
【0036】
上記実施の態様においては特定の平型半導体素子の両側に位置するヒートシンクに隙間を形成することについて説明したが、各ヒートシンクに同様の構成を設けるようにしても良いことは勿論である。
【0037】
図3において断面で示す上方のヒートシンク4にねじ込まれているテーパ付ボルト13は、完全にねじ込まれている状態を示し、下方のヒートシンク4のテーパ付ボルト13はねじ込み初期の状態を示している。
【0038】
前記支柱12A、12Bが一直線上に当接したときの全長は、平型半導体素子3をヒートシンク4間から取り出すに必要な間隔を形成するに充分な長さ即ち平型半導体素子3に前記間隔分を加算した長さに設定してある。
【0039】
本実施の態様によれば取り出そうとする平型半導体素子3の上下のヒートシンク4に支柱12Aと支柱12Bを挿入した後、テーパ付ボルト13をヒートシンク4にねじ込むと、ねじ込み初期では支柱12Aと支柱12Bの円弧部はねじ部と接触し、更にねじ込みを進めると前記支柱の円弧部はボルト13のテーパ部と接触する。
【0040】
この状態になるとボルト13のテーパ部が支柱12A、12Bを貫通穴40から押し出すように力が作用し、上下のヒートシンク4に挿入した支柱同士が押されて平型半導体素子3を挟んで配置されているヒートシンク4間の間隔を広げようとする。
【0041】
この力によって平型半導体素子3とヒートシンク4間に隙間gが形成され平型半導体素子3を交換することができる。尚、図5に示すように支柱12A、12Bの当接面を凸部と凹部を設けた嵌め合い構造とすることで支柱同士の結合を確実なものにし安全な素子交換作業をすることができる。ここでは直立したスタックで説明したが横置きのスタックの場合でも同様の効果が得られる。
【0042】
図6は、ヒートシンクと平型半導体素子3の間に隙間をつくる手段の異なる実施の形態を示す正面図で、図7は平面図、図8は側面図である。この実施の態様では素子交換冶具16を用いて隙間を形成するものである。
【0043】
素子交換冶具16は、ヒートシンク4の側面における対向する側面にテーパ付ボルト13によって取付けられるが、ヒートシンク4の前記対向する側面に取付けられる角材15と、上下の角材15間に配置される段付きボルト14から構成されている。
【0044】
角材15の側面には、テーパ付ボルト13がねじ込まれる角材15を貫通するテーパ130Aを有する貫通穴130を設けている。一方角材15のスタック締め付け方向には、角材15を貫通するねじ穴を穿つてある。そして対向する角材15の前記ねじ穴間に段付ボルト14を、段付ボルト14の段部14Aが一方のヒートシンク4の上面に当接するようにねじ込んで素子交換冶具16が構成される。
【0045】
次に本実施の態様による平型半導体素子3の取り出しについて説明する。図6、図7、図8は平型半導体素子3の上下のヒートシンク4に素子交換冶具16を取付けた状態を示している。そして図6で、上のヒートシンクに対しては、テーパ付ボルト13をねじ込み完了した状態を、下のヒートシンク4にはテーパ付ボルト13を取付けた状態を示したものである。
【0046】
ヒートシンク4と平型半導体素子3との間に隙間をつくるには、ヒートシンク4の側面にテーパ付ボルト13を用いて素子交換冶具16を位置決めした後、段付ボルト14を上下角材15を押し広げるように長さをねじ部であわせた後に、テーパ付ボルト13をヒートシンク側面にねじ込む。
【0047】
これによりテーパ付ボルト13は角材15のテーパ穴130に沿ってねじ込まれ、角材15とこれにねじ込まれている段付ボルト14には上下のヒートシンク4同士を押し広げる力が加わり、ヒートシンク4と平型半導体素子3の間に隙間gをつくる。
【0048】
このようにヒートシンク4のねじ穴に素子交換冶具16を側面からねじ込むことで素子交換を行うことができる。またヒートシンク4に素子交換冶具16をねじで取付けるため脱着可能となる。
【0049】
図9および図10は本発明による更に他の実施の態様を示すもので、ヒートシンク4の平型半導体素子3当接面に輪状の溝17を設けたものである。輪状の溝17の内側の径は平型半導体素子3のポスト径と同等か少し小さめとし、外形は内径より数mm大きくしている。
【0050】
この構成により、平型半導体素子3とヒートシンク4が接触する面が、素子交換後も同じ面で接触させることができるため圧接分布が変化することなく安定した圧接状態を得ることができる。
【0051】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によればスタックに組み込まれた平型半導体素子の素子交換をスタックを分解することなく側面から確実に行うことができる。また素子交換後の加圧力を検出し表示できるため、現地での素子交換後の加圧力を正確に再設定できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の平型半導体素子用スタックの構成図。
【図2】図1に記載の平型半導体素子用スタックの加圧力保持機構部分の拡大図。
【図3】平型半導体素子用スタックの素子交換部分を示す図。
【図4】図3の素子交換部分の平面図。
【図5】素子交換部分の他の実施の態様を示す側面図。
【図6】素子交換部分の異なる実施の態様を示す構成図。
【図7】平型半導体素子用スタックの素子交換冶具の取付け状態を示す平面図。
【図8】図7に記載の平型半導体素子用スタックの素子交換状態を示す側面図。
【図9】ヒートシンクの実施の態様を示す斜視図。
【図10】図9に記載の平型半導体素子用スタックのヒートシンクと平型半導体素子とを積層した状態を示す断面図。
【図11】従来の平型半導体素子用スタックの構成図。
【符号の説明】
1…スタック
2…スタッドボルト
3…平型半導体素子
4…ヒートシンク
40…貫通穴
5…導体
6…絶縁スペーサ
7…さらぱね
8A、8B…加圧支持板
9…球面座
90…加圧力判断部材
10…目盛円板
11…固定ナット
12A、12B…支柱
13…テーパ付ボルト
130…貫通穴
14…段付ボルト
14A…段部
15…角材
16…素子交換治具
Claims (3)
- 対向配置した加圧支持板間に複数個の平型半導体素子とヒートシンクとを交互に積層した積層体を配置し、この積層体の両端に導体及び絶縁スペーサを配置し、少なくとも一方の絶縁スペーサと前記一方の加圧支持板間に加圧のための弾性体を配置し、前記対向する加圧支持板間を連結するように設けたスタッドボルトの締め付けにより前記弾性体を圧縮して積層体に加圧力を付加すると共に前記加圧力を保持するようにし、一端側に設けた大径球面座が前記積層体に当接し他側が前記弾性体を貫通するとともに加圧支持板を貫通して外方に突出するねじ部を有し且つ前記加圧支持板から突出するねじ部に取り付けられる盤部材を備えた加圧力判断部材を設け、前記平型半導体素子を挟む一対のヒートシンク間に設けられヒートシンクと平型半導体素子の間に隙間をつくる隙間形成手段を有し、前記隙間形成手段は、前記平型半導体素子を挟む1対のヒートシンクの四隅に設けた貫通穴に挿入した支柱と、ヒートシンク側面に穿った前記貫通穴に直交するねじ穴にねじ込まれる一部テーパのついたテーパ付ボルトから成ることを特徴とする平型半導体素子用スタック。
- 対向配置した加圧支持板間に複数個の平型半導体素子とヒートシンクとを交互に積層した積層体を配置し、この積層体の両端に導体及び絶縁スペーサを配置し、少なくとも一方の絶縁スペーサと前記一方の加圧支持板間に加圧のための弾性体を配置し、前記対向する加圧支持板間を連結するように設けたスタッドボルトの締め付けにより前記弾性体を圧縮して積層体に加圧力を付加すると共に前記加圧力を保持するようにし、一端側に設けた大径球面座が前記積層体に当接し他側が前記弾性体を貫通するとともに加圧支持板を貫通して外方に突出するねじ部を有し且つ前記加圧支持板から突出するねじ部に取り付けられる盤部材を備えた加圧力判断部材を設け、前記平型半導体素子を挟む一対のヒートシンク間に設けられヒートシンクと平型半導体素子の間に隙間をつくる隙間形成手段を有し、前記隙間形成手段は、前記平型半導体素子を挟む1対のヒートシンクの側面であって且つ対向する側面に夫々取り付けられる角材と、前記一対のヒートシンク間の対向する前記角材間に配置される段付ボルトと、この段付ボルトに対して直角方向に前記角材に穿った一部テーパ状の貫通穴に挿通されヒートシンクにねじ込まれるテーパ付ボルトとから構成した素子交換冶具であることを特徴とする平型半導体素子用スタック。
- 前記ヒートシンクと前記平型半導体素子との接触面におけるヒートシンク表面であって前記平型半導体素子のポスト直径の外側に輪状の溝を設けた請求項1に記載の平型半導体素子用スタック。
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