JP6111206B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置内スタックユニットを構成する平型半導体素子の外周素子の熱破壊を防止することができる電力変換装置に関する。

大容量の電力変換装置に適用する圧接型の素子では、素子を均一に圧接して冷却することが重要となる。

図５は、従来のスタックユニットの絶縁座用金具１３ｈを平面加圧体である台座１３ｅで加圧する場合の一例である。台座１３ｅが外部から受けた圧力により絶縁座用金具１３ｈを加圧する。絶縁座用金具１３ｈは、絶縁座１３ｉを介して平型半導体素子１２及び水冷フィン１２ａを加圧する。この場合の圧力Ｐは、ほぼ均一になる。

図６は、従来のスタックユニットの絶縁座用金具１３ｈを平面加圧体である台座１３ｅで加圧する場合の偏荷重の一例である。図５による平面加圧の際、台座１３ｅの加圧面が平坦でない場合、一部に圧力が偏り偏荷重が形成された場合の一例である。この場合の圧力は、圧力Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３となり、平型半導体素子１２の左側外周面に必要な圧力が加わらないため外周面の素子が熱破壊の危険が生じる。

図７は、従来のスタックユニットの片面ザグリＺを有する絶縁座用金具１３ｈを平面加圧体である台座１３ｅで加圧する場合の偏荷重の一例である。この場合は、絶縁座用金具１３ｈにザグリＺが設けられ得ているが、台座１３ｅの加圧面が平坦でないため、一部に圧力が偏り偏荷重が形成される。この場合の圧力は、圧力Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ４＞Ｐ５となり、平型半導体素子１２の左側外周面になるに従って圧力が低下し、外周チップに必要な圧力が加わらないため外周面の素子の熱破壊の危険が生じる。

上述したように、平型半導体素子１２は、偏荷重になり外周面の素子が熱破壊するケースがある。そこで、より、圧接を均一にするためには、素子や冷却フィンの面精度を高くする必要があるが、製作上限界があった。なお、加圧面を球面とする平型半導体素子用スタックが知られている。（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−１６８７７８号公報

上述したように、圧接型素子において、圧接における偏荷重により、外周面の素子が熱破壊するケースがあり課題となっていた。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、圧接型素子を複数重ね、両端に配置した絶縁座用金具を外側から内側に加圧することにより一体に構成したスタックにおいて、上記絶縁座用金具の面両にザグリ加工し、外周面にも圧力が加わる構造にすることにより、上記圧接型素子の外周面の素子（以下、外周面の素子と称する。）が熱破壊を起こすのを防止することができる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の電力変換装置は、インバータ部を有して構成されるスタックユニットを備えた電力変換装置であって、前記スタックユニットは、平型半導体素子と、この平型半導体素子を冷却するために当該平型半導体素子の表面に当接して配置する水冷フィンと、前記平型半導体素子及び水冷フィンを一組みとして、一方の台座及び他方の台座の間に複数組積層し、これら積層された半導体素子及び水冷フィンを積層方向とは反対の方向に加圧する加圧手段と、を備え、前記加圧手段は、前記平型半導体素子又は水冷フィンを加圧する絶縁座及び絶縁座用金具と、この絶縁座用金具を加圧する円錐加圧体若しくは球面加圧体と、この円錐加圧体若しくは球面加圧体を付勢する付勢手段と、を備え、前記絶縁座用金具は、前記加圧体が前記円錐加圧体の場合には当接する部分に被円錐加圧面を、前記加圧体が前記球面加圧体の場合には当接する部分に被球面加圧面を備え、前記被円錐加圧面若しくは被球面加圧面を前記円錐加圧体若しくは球面加圧体で加圧し、前記絶縁座用金具は、前記円錐加圧体と当接する被円錐加圧面若しくは前記球面加圧体と当接する被球面加圧面に設けた第１のザグリと、前記被円錐加圧面若しくは前記被球面加圧面に対して反対側の面に第２のザグリをさらに設けたことを特徴とする。

この発明によれば、圧接型素子を複数重ね、両端に配置した絶縁座用金具を外側から内側に加圧することにより一体に構成したスタックにおいて、平型半導体素子を加圧する水冷フィン、絶縁座、又は絶縁座用金具は、ザグリ加工した切欠き部を有し、ザグリ加工と反対方向の被加圧面が、円錐状に構成された円錐加圧体又は加圧面が球面状に構成された球面加圧体と当接する形態とし、当該被加圧面を円錐加圧体又は球面加圧体で加圧することにより、外周面にも圧力が加わる構造にし、外周素子の熱破壊を防止することができるスタックユニットを備えた電力変換装置を提供することができる。

実施例１に係る平型半導体素子を使用したスタックユニットの圧接方法を説明する断面図。 図１に係るスタックユニットの加圧面側にザグリを有する絶縁座用金具を円錐加圧体で加圧する場合の平型半導体に加わる圧力を説明する図の一例。 実施例２に係るスタックユニットの両面ザグリを有する絶縁座用金具を円錐加圧体で加圧する場合の平型半導体に加わる圧力を説明する図の一例。 実施例３に係るスタックユニットの両面ザグリを有する絶縁座用金具を球面加圧体で加圧する場合の平型半導体に加わる圧力を説明する図の一例。 従来のスタックユニットの絶縁座用金具を平面加圧体で加圧する場合の一例。 従来のスタックユニットの絶縁座用金具を平面加圧体で加圧する場合の偏荷重の一例。 従来のスタックユニットの片面ザグリを有する絶縁座用金具を平面加圧体で加圧する場合の偏荷重の一例。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る平型半導体素子を使用したスタックユニット１０の圧接方法を説明する断面図である。

スタックユニット１０は、平型半導体素子１２、水冷フィン１２ａ、平型半導体素子１２及び水冷フィン１２ａを加圧する加圧部１３（加圧手段）などで構成される。

実施例では、平型半導体素子１２は、当該平型半導体素子１２を冷却するための水冷フィン１２ａ、１２ａの間に配置される。図は、このように構成された水冷フィン１２ａ及び平型半導体素子１２を一組として複数組直列に積層した場合の一例である。

加圧部１３は、圧接板１３ａ・１３ａ、ステー１３ｂ・１３ｂ、台座１３ｆ・１３ｆ、付勢手段としての弾性体１３ｄ・１３ｄ、台座１３ｅ・１３ｅ、円錐加圧体１３ｇ１・１３ｇ１、絶縁座用金具１３ｈ（１３ｈ１、１３ｈ２の総称）・１３ｈ及び絶縁座１３ｉ・１３ｉなどで構成され、平型半導体素子１２及び水冷フィン１２ａを加圧する。

圧接板１３ａ、１３ａ間に配置された台座１３ｆ・１３ｆ、弾性体１３ｄ・１３ｄ、台座１３ｅ・１３ｅ、円錐加圧体１３ｇ１・１３ｇ１、絶縁座用金具１３ｈ（１３ｈ１、１３ｈ２の総称）・１３ｈ及び絶縁座１３ｉ・１３ｉ、及び平型半導体素子１２・水冷フィン１２ａ、・・は、弾性体１３ｄの反発力により平型半導体素子１２を一定の圧接力で加圧することが出来る。また、ナット１３ｃを調整することで一定の圧力の微調整も可能となる。

図２は、図１に係るスタックユニット１０の加圧面側にザグリを有する絶縁座用金具１３ｈ１を円錐加圧体１３ｇ１で加圧する場合の平型半導体１２に加わる圧力を説明する図の一例である。

絶縁座用金具１３ｈ１には、当該絶縁座用金具１３ｈ１を加圧する円錐加圧体１３ｇ１と当接する被円錐加圧面が設けられている。また、この被円錐加圧面の中央にはザグリＺ１が設けられている。このように構成された絶縁座用金具１３ｈ１と平型半導体素子１２の間には上述したように絶縁座１３ｉ及び水冷フィン１２ａが配置される。絶縁座１３ｈ１は、平型半導体素子１２と加圧部１３を電気的に絶縁する。

円錐加圧体１３ｇ１が図示矢印Ａ方向に加圧されると、図示矢印Ｐ１〜Ｐ４で示す方向に圧力が外周に向かって分散される。この分散された圧力は、水冷フィン１２ａを介して平型半導体素子１２を加圧する。

本実施例１では、圧力は外周に向かって分散されるものの、ザグリＺ１の真下の圧力が大きく、外周に向かって圧力が低下する特性を有する。しかしながら、使用される平型半導体素子の形状によっては、この特性で十分な場合もあり、その場合には、比較的構造が簡単であり、本発明の課題である外周チップにも圧力が加わる構造にすることができ、外周素子の熱破壊を防止することができる。

図３は、実施例２に係る平型半導体素子を使用したスタックユニット１０の両面ザグリを有する絶縁座用金具１３ｈ２を円錐加圧体１３ｇ１で加圧する場合の平面半導体１２に加わる圧力を説明する図の一例である。実施例２は、被円錐加圧面にザグリＺ１を設けると共に、当該被円錐加圧面に対して反対側の面にザグリＺ２を設けた場合の平型半導体素子１２に加わる圧力を説明する図で、図３に示す絶縁座用金具１３ｈ２のザグリの形状以外の部分は実施例１同様であるため、その部分の説明は省略する。また、ザグリＺ２は絶縁座用金具１３ｈ２だけでなく、絶縁座１３ｉ若しくは、水冷フィン１２ａに設けても良く、１箇所だけでなく複数箇所設けても良い。荷重が集中している箇所にザグリＺ２を設けることで圧力を分散することが可能となる。

なお、ザグリＺ１は、絶縁座用金具１３ｈ２の平面中央部に設けられる。円錐加圧体１３ｇ１で加圧した際に平型半導体素子外周面圧力を均一にするためである。

円錐加圧体１３ｇ１が図示矢印Ａ方向に加圧されると、図示矢印Ｐ１〜Ｐ４で示す方向に圧力が外周に向かって分散される。この分散された圧力は、水冷フィン１２ａを介して平型半導体素子１２を加圧する。

本実施例１では、圧力は外周に向かって分散されるものの、ザグリＺ１の真下の圧力が大きく外周に向かって圧力が低下する特性を有するのに対して、実施例２では、被円錐加圧面に対して反対側の面にザグリＺ２が設けられているため、圧力が大きい中央部の圧力Ｐ１の位置が中高部から外周に向かって離間した位置になる。以下、外周に向かってＰ１〜Ｐ４になるに従い圧力が低下する特性を有する。

なお、ザグリＺ２の形状は、円形、四角形及びその他の多角形に構成することもできる。また、ザグリＺ２を複数配置することも可能である。

以上説明したように、実施例２によれば、両面ザグリを有する円錐加圧体による加圧は、
ザグリＺ２の形状を変更することにより、平型半導体素子にかかる圧力分布を変更することが可能になる。従って、実施例１に比べ、中央部分への圧力集中を緩和し、その分外周の圧力低下を防止することができる平型半導体素子の圧接が可能になる。

図４は、実施例３に係るスタックユニット１０の両面ザグリを有する絶縁座用金具１３ｈ３を球面加圧体１３ｇ２で加圧する場合の平型半導体素子に加わる圧力を説明する図の一例である。実施例３は、被球面加圧面にザグリＺ１を設けると共に、当該被球面加圧面に対して反対側の面にザグリＺ２を設けた場合の平型半導体素子１２に加わる圧力を説明する図である。図４に示す絶縁座用金具１３ｈ３のザグリの形状以外の部分は実施例２同様であるため、その部分の説明は省略する。

球面加圧体１３ｇ２が図示矢印Ａ方向に加圧されると、図示矢印Ｐ１〜Ｐ４で示す方向に圧力が外周に向かって分散される。この分散された圧力は、水冷フィン１２ａを介して平型半導体素子１２を加圧する。

実施例３は、実施例２同様、圧力は外周に向かって分散され、ザグリＺ１の真下の圧力が大きく、外周に向かって圧力が低下する特性を有する。また、実施例２では、被球面加圧面に対して反対側の面にザグリＺ２が設けられているため、圧力が大きい中央部の圧力Ｐ１の位置が中高部から外周に向かって離間した位置になる点も実施例２同様である。

なお、ザグリＺ１は、絶縁座用金具１３ｈ３の平面中央部に設けられる。球面加圧体１３ｇ１で加圧した際に平型半導体素子外周面圧力を均一にするためである。また、ザグリＺ２の形状は、円形、四角形及びその他の多角形に構成すること及びザグリＺ２を複数配置することも可能である。

これらは、実施例２で説明した絶縁座用金具１３ｈ２の効果と同様である。

以上説明したように、本発明の課題である外周チップにも圧力が加わる構造にすることができ、外周素子の熱破壊を防止することができる電力変換装置を提供することができる。

１０ スタックユニット
１０ａ インバータ部
１２ 平型半導体素子
１２ａ 水冷フィン
１３ 加圧部
１３ａ 圧接板
１３ｂ ステー
１３ｃ ナット
１３ｄ 弾性体
１３ｅ、１３ｆ 台座
１３ｇ１ 円錐加圧体
１３ｇ２ 球面加圧体
１３ｈ１〜１３ｈ３ 絶縁座用金具
２０ コンデンサユニット
Ｃ１、Ｃ２ 平滑コンデンサ

Claims (2)

1. インバータ部を有して構成されるスタックユニットを備えた電力変換装置であって、
   前記スタックユニットは、
   平型半導体素子と、
   この平型半導体素子を冷却するために当該平型半導体素子の表面に当接して配置する水冷フィンと、
   前記平型半導体素子及び水冷フィンを一組みとして、一方の台座及び他方の台座の間に複数組積層し、これら積層された半導体素子及び水冷フィンを積層方向とは反対の方向に加圧する加圧手段と、を備え、
   前記加圧手段は、
   前記平型半導体素子又は水冷フィンを加圧する絶縁座及び絶縁座用金具と、
   この絶縁座用金具を加圧する円錐加圧体若しくは球面加圧体と、
   この円錐加圧体若しくは球面加圧体を付勢する付勢手段と、を備え、
   前記絶縁座用金具は、
   前記加圧体が前記円錐加圧体の場合には当接する部分に被円錐加圧面を、前記加圧体が前記球面加圧体の場合には当接する部分に被球面加圧面を備え、
   前記被円錐加圧面若しくは被球面加圧面を前記円錐加圧体若しくは球面加圧体で加圧し、
   前記絶縁座用金具は、
   前記円錐加圧体と当接する被円錐加圧面若しくは前記球面加圧体と当接する被球面加圧面に設けた第１のザグリと、
   前記被円錐加圧面若しくは前記被球面加圧面に対して反対側の面に第２のザグリをさらに設けたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記水冷フィン若しくは前記絶縁座若しくは前記絶縁座用金具は、
   これらの中の少なくとも１つ以上でザグリを備え、このザグリと反対の方向に前記円錐加圧体で加圧する被円錐加圧面若しくは前記球面加圧体で加圧する被球面加圧面を備えたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。

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