JP7050394B2

JP7050394B2 - Power converter

Info

Publication number: JP7050394B2
Application number: JP2019046782A
Authority: JP
Inventors: 慧宮入
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2039-03-14
Also published as: JP2020150696A

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to a power conversion device.

大電力を取り扱う電力変換装置には、平型の電力用半導体素子を多数個接続したスタックが用いられる。電力用半導体素子が故障等した場合には、新しい電力用半導体素子と交換する必要がある。 A stack in which a large number of flat power semiconductor elements are connected is used for a power conversion device that handles a large amount of power. If a power semiconductor element fails, it is necessary to replace it with a new power semiconductor element.

スタックは、平型の電力用半導体素子をヒートシンクに挟み込んだ状態で１列に配列して皿バネを介して両端を締め付ける。このようなスタックでは、電力用半導体素子をヒートシンクで挟み込んで締め付けることによって、熱抵抗および接触抵抗を低減させている。 The stack is arranged in a row with flat power semiconductor elements sandwiched between heat sinks, and both ends are tightened via disc springs. In such a stack, thermal resistance and contact resistance are reduced by sandwiching and tightening a power semiconductor element with a heat sink.

スタックの電力用半導体素子を交換する場合には、両端の締め付けを緩めて、故障した電力用半導体素子を取り出すが、スタックが水平に配置されている場合等では、両端を緩めたとたんに故障していない電力用半導体素子も含めて、ほとんどの電力用半導体素子が下方に落下してしまう。そのため、スタックの下方に作業者が手をそえたり、落下防止用の板材を固定したりする必要がある。 When replacing the power semiconductor element of the stack, loosen the tightening at both ends and take out the failed power semiconductor element, but if the stack is placed horizontally, it will fail as soon as both ends are loosened. Most power semiconductor devices, including power semiconductor devices that have not been used, fall downward. Therefore, it is necessary for an operator to hold his / her hand under the stack or to fix a fall prevention plate material.

また、新たな電力用半導体素子をスタックに組み付ける場合にも、電力用半導体素子を下方から支えつつ中心を合わせて両端を締め付ける必要があり、作業性が著しく悪く、交換に要する時間が長くなり、電力変換装置の停止期間が長くなる。 Also, when assembling a new power semiconductor element to the stack, it is necessary to support the power semiconductor element from below while aligning the centers and tightening both ends, resulting in extremely poor workability and a long replacement time. The outage period of the power converter becomes longer.

特開２００３－１６８７７８号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-168778

実施形態は、容易に電力用半導体素子を交換することができる電力変換装置を提供する。 The embodiment provides a power conversion device capable of easily exchanging a power semiconductor element.

実施形態に係る電力変換装置は、スタックを備える。このスタックは、２つのヒートシンクと、前記２つのヒートシンクの間に挟持された電力用半導体素子と、前記２つのヒートシンクおよび前記電力用半導体素子に、前記２つのヒートシンクおよび前記電力用半導体素子が積層された第１方向に沿って付勢する力を生成する付勢手段と、前記付勢手段の付勢力を保持して前記２つのヒートシンクおよび前記電力用半導体素子に圧力を印加する圧力保持手段と、前記第１方向に延伸する板状体であって、前記２つのヒートシンク、前記電力用半導体素子、付勢手段および圧力保持手段を支持するフレームと、を含む。前記スタックは、前記第１方向に平行して載置された場合であって、前記圧力保持手段によって前記圧力を解除したときに、前記電力用半導体素子を前記フレームを介して支持する素子支持手段をさらに含む。前記素子支持手段は、前記フレームの下端に接続され、前記２つのヒートシンク、前記電力用半導体素子、付勢手段および圧力保持手段の下方に設けられる。
The power conversion device according to the embodiment includes a stack. In this stack, two heat sinks, a power semiconductor element sandwiched between the two heat sinks, and the two heat sinks and the power semiconductor element are laminated with the two heat sinks and the power semiconductor element. An urging means that generates an urging force along the first direction, a pressure holding means that holds the urging force of the urging means and applies pressure to the two heat sinks and the power semiconductor element, and a pressure holding means. The plate-like body extending in the first direction includes the two heat sinks, the power semiconductor element, and a frame for supporting the urging means and the pressure holding means. The stack is an element supporting means that supports the power semiconductor element via the frame when the stack is placed in parallel with the first direction and the pressure is released by the pressure holding means. Including further. The element supporting means is connected to the lower end of the frame and is provided below the two heat sinks, the power semiconductor element, the urging means, and the pressure holding means.

本実施形態では、容易に電力用半導体素子を交換することができる電力変換装置が実現される。 In the present embodiment, a power conversion device capable of easily exchanging a power semiconductor element is realized.

図１（ａ）は、第１の実施形態の電力変換装置のスタックを例示する平面図である。図１（ｂ）は、第１の実施形態の電力変換装置のスタックを例示する斜視図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡＡ線における矢視断面図である。FIG. 1A is a plan view illustrating a stack of power conversion devices according to the first embodiment. FIG. 1B is a perspective view illustrating a stack of power conversion devices according to the first embodiment. FIG. 1 (c) is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 1 (a). 図２（ａ）は、第１の実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。図２（ｂ）は、第１の実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。FIG. 2A is a block diagram illustrating the power conversion device according to the first embodiment. FIG. 2B is a block diagram illustrating a part of the power conversion device of the first embodiment. 図３（ａ）は、比較例の電力変換装置のスタックを例示する斜視図である。図３（ｂ）は、図１（ａ）のＡＡ線に相当する位置における矢視断面図である。FIG. 3A is a perspective view illustrating a stack of power conversion devices of a comparative example. FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the arrow at a position corresponding to the line AA in FIG. 1A. 図４（ａ）は、第２の実施形態の電力変換装置のスタックを例示する平面図である。図４（ｂ）は、第２の実施形態の電力変換装置のスタックを例示する斜視図である。図４（ｃ）は、図４（ａ）のＢＢ線における矢視断面図である。FIG. 4A is a plan view illustrating the stack of the power conversion device according to the second embodiment. FIG. 4B is a perspective view illustrating the stack of the power conversion device of the second embodiment. FIG. 4 (c) is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 4 (a). 図５（ａ）は、第２の実施形態の変形例の電力変換装置のスタックの一部を例示する正面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のヒートシンクの側面図である。図５（ｃ）は、図５（ａ）のヒートシンクの平面図である。FIG. 5A is a front view illustrating a part of a stack of power conversion devices according to a modification of the second embodiment. 5 (b) is a side view of the heat sink of FIG. 5 (a). 5 (c) is a plan view of the heat sink of FIG. 5 (a). 図６（ａ）は、第３の実施形態の電力変換装置のスタックを例示する平面図である。図６（ｂ）は、第３の実施形態の電力変換装置のスタックを例示する斜視図である。図６（ｃ）は、図６（ａ）のＣＣ線における矢視断面図である。FIG. 6A is a plan view illustrating the stack of the power conversion device according to the third embodiment. FIG. 6B is a perspective view illustrating a stack of power conversion devices according to a third embodiment. FIG. 6 (c) is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 6 (a).

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
It should be noted that the drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the ratio of the sizes between the parts, and the like are not necessarily the same as the actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be different from each other depending on the drawing.
In addition, in the present specification and each figure, the same elements as those described above with respect to the above-mentioned figures are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted as appropriate.

（第１の実施形態）
図１（ａ）は、第１の実施形態の電力変換装置のスタックを例示する平面図である。図１（ｂ）は、第１の実施形態の電力変換装置のスタックを例示する斜視図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡＡ線における矢視断面図である。
図１（ａ）～図１（ｃ）に示すように、実施形態の電力変換装置のスタック１０は、電力用半導体素子１１と、ヒートシンク１２と、皿バネ１３と、絶縁フレーム２０と、金属フレーム２２と、落下防止バンド３０と、を備える。 (First Embodiment)
FIG. 1A is a plan view illustrating a stack of power conversion devices according to the first embodiment. FIG. 1B is a perspective view illustrating a stack of power conversion devices according to the first embodiment. FIG. 1 (c) is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 1 (a).
As shown in FIGS. 1A to 1C, the stack 10 of the power conversion device of the embodiment includes a power semiconductor element 11, a heat sink 12, a countersunk spring 13, an insulating frame 20, and a metal frame. 22 and a fall prevention band 30 are provided.

以下の説明において用いる三次元座標は、以下のとおりである。すなわち、三次元座標は、電力用半導体素子１１の電極の面に平行なＸ軸およびＺ軸と、これらに直交し、スタック１０の両端の電極を結ぶ方向に沿うＹ軸である。この例では、Ｚ軸の負方向が重力の方向である。つまり、電力用半導体素子１１の交換時に、電力用半導体素子１１が落下する方向がＺ軸の負方向である。 The three-dimensional coordinates used in the following description are as follows. That is, the three-dimensional coordinates are the X-axis and Z-axis parallel to the plane of the electrode of the power semiconductor element 11 and the Y-axis orthogonal to these and along the direction connecting the electrodes at both ends of the stack 10. In this example, the negative direction of the Z axis is the direction of gravity. That is, when the power semiconductor element 11 is replaced, the direction in which the power semiconductor element 11 falls is the negative direction of the Z axis.

電力用半導体素子１１は、平型の圧接型半導体パッケージに封入されている。電力用半導体素子１１は、Ｙ軸方向の両端に主電極をそれぞれ有する。電力用半導体素子１１では、両端の電極をヒートシンク１２に接続し、ヒートシンク１２を介して圧力を印加することによって、電気的接続および熱的接続がはかられている。電力用半導体素子１１は、たとえばサイリスタである。後述する具体的な応用回路では電力用半導体素子１１は、サイリスタであるが、平型の圧接型半導体パッケージに封入された電力用半導体素子であればサイリスタに限定されず、ダイオードやＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等であってもよい。 The power semiconductor element 11 is enclosed in a flat pressure-welded semiconductor package. The power semiconductor element 11 has main electrodes at both ends in the Y-axis direction. In the power semiconductor element 11, electrodes at both ends are connected to the heat sink 12, and pressure is applied through the heat sink 12 to establish electrical and thermal connections. The power semiconductor element 11 is, for example, a thyristor. In a specific application circuit described later, the power semiconductor element 11 is a thyristor, but the power semiconductor element enclosed in a flat pressure-welded semiconductor package is not limited to the thyristor, and is not limited to a thyristor, such as a diode, an IGBT, or a MOSFET. It may be.

ヒートシンク１２は、電力用半導体素子１１の両端の電極にそれぞれ接続されている。ヒートシンク１２は、高熱伝導率および高導電率を有する金属材料で形成されている。ヒートシンク１２は、たとえばアルミニウムや銅等の金属あるいはこれらの合金等である。ヒートシンク１２は、電力用半導体素子１１の放熱のほか、隣接して配置されている電力用半導体素子１１との電気的接続およびスナバ回路等を含む外部回路との電気的接続をとるのに用いられる。 The heat sink 12 is connected to the electrodes at both ends of the power semiconductor element 11. The heat sink 12 is made of a metal material having high thermal conductivity and high conductivity. The heat sink 12 is, for example, a metal such as aluminum or copper, or an alloy thereof. The heat sink 12 is used not only for radiating heat from the power semiconductor element 11, but also for making an electrical connection with the power semiconductor element 11 arranged adjacent to the heat sink 12 and an electrical connection with an external circuit including a snubber circuit and the like. ..

電力用半導体素子１１およびヒートシンク１２は交互に配置され、Ｙ軸方向に沿って複数積層されている。電力用半導体素子１１は、２つのヒートシンク１２の間に設けられている。電力用半導体素子１１およびヒートシンク１２の積層体の両端には、金属性の押え部材１４が設けられている。両端の一方の側には皿バネ（付勢手段）１３が設けられ、他方には、押え部材１４に固定されたロッド１６にナット（圧力保持手段）１５が設けられている。ロッド１６には、ネジが切ってあり、ナット１５を締めたり、緩めたりすることができる。ナット１５を締めると、Ｙ軸の負方向に押え部材１４を介して、皿バネ１３の付勢により、電力用半導体素子１１およびヒートシンク１２の積層体に圧力が加わる。 The power semiconductor elements 11 and the heat sinks 12 are arranged alternately, and a plurality of them are stacked along the Y-axis direction. The power semiconductor element 11 is provided between the two heat sinks 12. Metallic presser members 14 are provided at both ends of the laminate of the power semiconductor element 11 and the heat sink 12. A disc spring (biasing means) 13 is provided on one side of both ends, and a nut (pressure holding means) 15 is provided on the rod 16 fixed to the holding member 14 on the other side. The rod 16 is threaded so that the nut 15 can be tightened or loosened. When the nut 15 is tightened, pressure is applied to the laminated body of the power semiconductor element 11 and the heat sink 12 by the bias of the disc spring 13 via the pressing member 14 in the negative direction of the Y axis.

ナット１５を締めることによって、ヒートシンク１２を介して隣接する電力用半導体素子１１同士が電気的に接続されるとともに、電力用半導体素子１１は、ヒートシンク１２と熱的に接続される。ナット１５を緩めると、圧力が解除されて、電力用半導体素子１１およびヒートシンク１２を取り出すことができる。 By tightening the nut 15, adjacent power semiconductor elements 11 are electrically connected to each other via the heat sink 12, and the power semiconductor element 11 is thermally connected to the heat sink 12. When the nut 15 is loosened, the pressure is released and the power semiconductor element 11 and the heat sink 12 can be taken out.

絶縁フレーム２０は、電力用半導体素子１１およびヒートシンク１２の積層体が延伸する方向に沿って設けられている。絶縁フレーム２０は、ＹＺ平面にほぼ平行な面を有する板材である。絶縁フレーム２０は、絶縁性の材料、たとえばＦＲＰ等によって形成されている。 The insulating frame 20 is provided along the direction in which the laminate of the power semiconductor element 11 and the heat sink 12 is stretched. The insulating frame 20 is a plate material having a plane substantially parallel to the YZ plane. The insulating frame 20 is made of an insulating material such as FRP.

金属フレーム２２は、押え部材１４を介して、皿バネ、電力用半導体素子１１およびヒートシンク１２を挟み込むように配設されている。金属フレーム２２は、２つの絶縁フレーム２０にそれぞれネジ等の締結部材によって取り付けられている。金属フレーム２２は、皿バネ１３の付勢による圧力等に対して十分な強度を有するように、ＳＵＳ等の金属性の材料で形成されている。 The metal frame 22 is arranged so as to sandwich the disc spring, the power semiconductor element 11 and the heat sink 12 via the pressing member 14. The metal frame 22 is attached to each of the two insulating frames 20 by a fastening member such as a screw. The metal frame 22 is made of a metallic material such as SUS so as to have sufficient strength against pressure or the like due to the bias of the disc spring 13.

落下防止バンド（素子支持手段）３０は、電力用半導体素子１１ごとに設けられている。落下防止バンド３０は、ＸＹ平面視で、幅を有する帯状の部材である。落下防止バンド３０の幅は、電力用半導体素子１１の厚さ（主電極間の距離）よりも短く、かつ、電力用半導体素子１１を支持できる程度の長さを有している。 The fall prevention band (element supporting means) 30 is provided for each power semiconductor element 11. The fall prevention band 30 is a strip-shaped member having a width in an XY plan view. The width of the fall prevention band 30 is shorter than the thickness of the power semiconductor element 11 (distance between the main electrodes), and has a length sufficient to support the power semiconductor element 11.

落下防止バンド３０は、係止部（第１部分）３１と、リング部（第２部分）３２と、を含む。係止部３１は、リング部３２の両端に設けられている。係止部３１は、Ｘ軸にほぼ平行して延伸して設けられている。係止部３１のＸ軸方向の長さは、電力用半導体素子１１が配設されている位置から絶縁フレーム２０まで延伸している。 The fall protection band 30 includes a locking portion (first portion) 31 and a ring portion (second portion) 32. The locking portions 31 are provided at both ends of the ring portion 32. The locking portion 31 is provided so as to extend substantially parallel to the X axis. The length of the locking portion 31 in the X-axis direction extends from the position where the power semiconductor element 11 is arranged to the insulating frame 20.

リング部３２は、電力用半導体素子１１の形状に応じて円弧状に成形されている。リング部３２は、ナット１５を緩めたときに、電力用半導体素子１１を受け止める。また、リング部３２は、係止部３１からのＺ軸方向の長さを電力用半導体素子１１がスタック１０に組み付けられたときの位置とほぼ一致するようにすることによって、組み付け時の電力用半導体素子１１の中心合わせを容易にすることができる。 The ring portion 32 is formed in an arc shape according to the shape of the power semiconductor element 11. The ring portion 32 receives the power semiconductor element 11 when the nut 15 is loosened. Further, the ring portion 32 is used for electric power at the time of assembly by making the length in the Z-axis direction from the locking portion 31 substantially the same as the position when the power semiconductor element 11 is assembled to the stack 10. It is possible to facilitate centering of the semiconductor element 11.

落下防止バンド３０は、係止部３１によって、両側の絶縁フレーム２０に係止される。リング部３２は、電力用半導体素子１１の直下に配設される。ナット１５を緩めて、スタック１０の圧力を解除したときに、電力用半導体素子１１がリング部３２で受け止めて、電力用半導体素子１１が落下するのを防止する。 The fall prevention band 30 is locked to the insulating frames 20 on both sides by the locking portion 31. The ring portion 32 is arranged directly below the power semiconductor element 11. When the nut 15 is loosened and the pressure of the stack 10 is released, the power semiconductor element 11 is received by the ring portion 32 to prevent the power semiconductor element 11 from falling.

落下防止バンド３０の係止部３１は、絶縁フレーム２０の上端にそれぞれ係止されている。係止部３１は、絶縁フレーム２０に固定されず、Ｙ軸方向に自由に移動することができる。そのため、スタックの締め付け等によって電力用半導体素子１１およびヒートシンク１２がＹ軸方向にスライドする場合に、落下防止バンド３０も同時にＹ軸方向にスライドすることができる。 The locking portion 31 of the fall prevention band 30 is locked to the upper end of the insulating frame 20. The locking portion 31 is not fixed to the insulating frame 20 and can freely move in the Y-axis direction. Therefore, when the power semiconductor element 11 and the heat sink 12 slide in the Y-axis direction due to the tightening of the stack or the like, the fall prevention band 30 can also slide in the Y-axis direction at the same time.

図２（ａ）は、本実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。
図２（ｂ）は、本実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、本実施形態の電力変換装置５００は、交流端子５０１ａ～５０１ｃを介して、交流電源１０００に接続される。交流電源１０００は、たとえば交流の電力系統である。この例のように、交流電源１０００と電力変換装置５００との間に変圧器１０１０が接続されてもよい。電力変換装置５００は、直流端子５０１ｄ，５０１ｅを介して、直流回路（図示せず）に接続される。電力変換装置５００は、交流電源１０００から供給される交流電圧を直流電圧に変換して、直流回路に供給する。電力変換装置５００は、直流回路から供給される直流電圧を交流電圧に変換して、交流電源１０００に供給する。電力変換装置５００は、たとえば双方向または単一方向の他励式の電力変換装置である。 FIG. 2A is a block diagram illustrating the power conversion device according to the present embodiment.
FIG. 2B is a block diagram illustrating a part of the power conversion device of the present embodiment.
As shown in FIGS. 2A and 2B, the power conversion device 500 of this embodiment is connected to the AC power supply 1000 via the AC terminals 501a to 501c. The AC power supply 1000 is, for example, an AC power system. As in this example, the transformer 1010 may be connected between the AC power supply 1000 and the power converter 500. The power conversion device 500 is connected to a DC circuit (not shown) via the DC terminals 501d and 501e. The power conversion device 500 converts the AC voltage supplied from the AC power supply 1000 into a DC voltage and supplies the AC voltage to the DC circuit. The power conversion device 500 converts the DC voltage supplied from the DC circuit into an AC voltage and supplies it to the AC power supply 1000. The power conversion device 500 is, for example, a bidirectional or unidirectional separately excited power conversion device.

電力変換装置５００は、複数のアーム５１０を有する。複数のアーム５１０は、相数に応じて設けられる。複数のアーム５１０のそれぞれは、スタック１０を含む。アーム５１０は、１つのスタック１０に限らず、複数のスタック１０を含んでもよい。この例では、スタック１０は、直列に接続された電力用半導体素子１１を含んでおり、電力用半導体素子１１は、サイリスタである。アーム５１０は、スタック１０の両端に接続されたリアクトル５１２を介して、外部の他の回路に接続される。電力用半導体素子１１の主端子間には、スナバ回路や電圧監視回路等の回路５１４が接続されている。そのほか、アーム５１０には、図示しないゲート駆動回路等も接続されている。 The power converter 500 has a plurality of arms 510. The plurality of arms 510 are provided according to the number of phases. Each of the plurality of arms 510 includes a stack 10. The arm 510 is not limited to one stack 10, and may include a plurality of stacks 10. In this example, the stack 10 includes a power semiconductor element 11 connected in series, and the power semiconductor element 11 is a thyristor. The arm 510 is connected to another external circuit via a reactor 512 connected to both ends of the stack 10. A circuit 514 such as a snubber circuit or a voltage monitoring circuit is connected between the main terminals of the power semiconductor element 11. In addition, a gate drive circuit and the like (not shown) are also connected to the arm 510.

本実施形態の電力変換装置５００の電力用半導体素子１１の交換方法について説明する。
いずれかのアーム５１０に故障が生じた場合には、電力変換装置５００は、運転を停止する。電力変換装置５００の運転を停止し、各充電部の放電を確認した後、故障部の特定と交換作業が実施される。 A method of exchanging the power semiconductor element 11 of the power conversion device 500 of the present embodiment will be described.
If any of the arms 510 fails, the power converter 500 stops operation. After stopping the operation of the power conversion device 500 and confirming the discharge of each charging unit, the failed unit is identified and the replacement work is performed.

図２（ｂ）において、たとえば上から２個目の電力用半導体素子１１が故障しているものとする。該当するアーム５１０において、スタック１０から故障した電力用半導体素子１１を取り外す作業を行う。 In FIG. 2B, it is assumed that, for example, the second power semiconductor element 11 from the top is out of order. In the corresponding arm 510, the work of removing the failed power semiconductor element 11 from the stack 10 is performed.

該当するスタック１０（図１）において、ナット１５を緩めてスタックの両端にかかっている圧力を解除する。ナット１５を緩めることにより、落下防止バンド３０は、電力用半導体素子１１とともに、ヒートシンク１２に間に挟まれた状態で、Ｙ軸正方向にスライドする。 In the corresponding stack 10 (FIG. 1), the nut 15 is loosened to release the pressure applied to both ends of the stack. By loosening the nut 15, the fall prevention band 30 slides in the positive direction of the Y-axis together with the power semiconductor element 11 while being sandwiched between the heat sinks 12.

そのスタック１０のすべての電力用半導体素子１１が落下防止バンド３０のリング部３２上に受け止められる。図２（ｂ）の上から２番目の電力用半導体素子１１を鈎状の冶具を用いて取り出して、新たな電力用半導体素子１１を対応する落下防止バンド３０上に挿入し配設する。 All the power semiconductor elements 11 of the stack 10 are received on the ring portion 32 of the fall prevention band 30. The second power semiconductor element 11 from the top of FIG. 2B is taken out using a hook-shaped jig, and a new power semiconductor element 11 is inserted and arranged on the corresponding fall prevention band 30.

ナット１５を締結して、電力用半導体素子１１およびヒートシンク１２の積層体に皿バネ１３の付勢によって圧力を印加する。落下防止バンド３０は、ナット１５の締結に応じて、電力用半導体素子１１とともに、ヒートシンク１２に挟まれた状態でＹ軸負方向にスライドする。 The nut 15 is fastened, and pressure is applied to the laminated body of the power semiconductor element 11 and the heat sink 12 by the bias of the disc spring 13. The fall prevention band 30 slides in the negative direction of the Y-axis while being sandwiched between the heat sink 12 together with the power semiconductor element 11 according to the fastening of the nut 15.

本実施形態の電力変換装置５００の効果について、比較例の電力変換装置の場合と比較しつつ説明する。
図３（ａ）は、比較例の電力変換装置のスタックを例示する斜視図である。
図３（ｂ）は、図１（ａ）のＡＡ線に相当する位置における矢視断面図である。 The effect of the power conversion device 500 of the present embodiment will be described while comparing with the case of the power conversion device of the comparative example.
FIG. 3A is a perspective view illustrating a stack of power conversion devices of a comparative example.
FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the arrow at a position corresponding to the line AA in FIG. 1A.

図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、比較例の電力変換装置は、スタック１１０を有する。比較例のスタック１１０は、上述の実施形態の場合の落下防止バンド３０が設けられていない。他の構成要素は、実施形態の場合と同一である。 As shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), the power conversion device of the comparative example has a stack 110. The stack 110 of the comparative example is not provided with the fall protection band 30 in the case of the above-described embodiment. Other components are the same as in the embodiment.

そのため、ナット１５を緩めて、電力用半導体素子１１およびヒートシンク１２の圧力を解除すると、電力用半導体素子１１は、図の矢印のように下方に落下してしまう。このとき、交換対象ではない電力用半導体素子１１の支持圧力も解除されてしまうので、スタック１１０のすべての電力用半導体素子１１は、下方に落下してしまう。 Therefore, when the nut 15 is loosened to release the pressure of the power semiconductor element 11 and the heat sink 12, the power semiconductor element 11 falls downward as shown by the arrow in the figure. At this time, the supporting pressure of the power semiconductor element 11 that is not the replacement target is also released, so that all the power semiconductor elements 11 of the stack 110 fall downward.

故障した電力用半導体素子１１が落下してさらに破損するのであればまだしも、健全な電力用半導体素子１１が落下によって破損するのは、全部品交換となり、好ましくないのは明らかである。電力用半導体素子１１が落下しないように、たとえば、交換の作業者は、スタック１１０の下方に手をそえた後にナット１５を緩めたり、スタック１１０の下面を覆うような板材をあらかじめ固定した後に、ナット１５を緩めるようにしたり、といった手順を追加する必要がある。 If the failed power semiconductor element 11 falls and is further damaged, it is clear that it is not preferable that the sound power semiconductor element 11 is damaged by the fall because all parts are replaced. To prevent the power semiconductor element 11 from falling, for example, the replacement worker may loosen the nut 15 after holding his / her hand under the stack 110 or fix a plate material that covers the lower surface of the stack 110 in advance. It is necessary to add a procedure such as loosening the nut 15.

しかし、この方法では、下面に配置した板材上に電力用半導体素子１１は受け止められるが、交換作業後に電力用半導体素子１１の中心を合わせる作業を別に行う必要がある。 However, in this method, although the power semiconductor element 11 is received on the plate material arranged on the lower surface, it is necessary to separately perform the work of aligning the center of the power semiconductor element 11 after the replacement work.

このように、比較例のスタック１１０における交換作業は、手順も多く、煩雑な作業を含むため、作業効率を向上させる必要がある。 As described above, the replacement work in the stack 110 of the comparative example has many procedures and includes complicated work, so that it is necessary to improve the work efficiency.

本実施形態では、落下防止バンド３０が絶縁フレーム２０に支持されており、圧力を緩めたときに、電力用半導体素子１１は、落下防止バンド３０によって受け止められる。そのため、別に落下防止用の板材等を用意することなく、故障した電力用半導体素子１１の交換を行うことができる。 In the present embodiment, the fall prevention band 30 is supported by the insulating frame 20, and when the pressure is released, the power semiconductor element 11 is received by the fall prevention band 30. Therefore, the failed power semiconductor element 11 can be replaced without separately preparing a plate material or the like for fall prevention.

落下防止バンド３０は、電力用半導体素子１１の形状に応じたリング部３２を有しているので、電力用半導体素子１１の落下防止とともに、交換後の中心出しを容易に行うことができる。 Since the fall prevention band 30 has a ring portion 32 corresponding to the shape of the power semiconductor element 11, it is possible to prevent the power semiconductor element 11 from falling and to easily center the power semiconductor element 11 after replacement.

落下防止バンド３０の係止部３１は、絶縁フレームに固定されないので、ナット１５を締めても、緩めても、絶縁フレーム２０の延伸方向に自在にスライドすることができる。そのため、電力用半導体素子１１の交換作業の効率を向上させることができる。 Since the locking portion 31 of the fall prevention band 30 is not fixed to the insulating frame, the nut 15 can be freely slid in the stretching direction of the insulating frame 20 regardless of whether the nut 15 is tightened or loosened. Therefore, the efficiency of the replacement work of the power semiconductor element 11 can be improved.

（第２の実施形態）
図４（ａ）は、第２の実施形態の電力変換装置のスタックを例示する平面図である。図４（ｂ）は、第２の実施形態の電力変換装置のスタックを例示する斜視図である。図４（ｃ）は、図４（ａ）のＢＢ線における矢視断面図である。
上述した実施形態では、落下防止バンド３０を用いて、電力用半導体素子１１の落下を防止する。上述したスタックでは、電力用半導体素子１１のほか、ヒートシンク１２も圧力の解除時には、下方に落下し得る状態となるので、本実施形態では、交換作業時のヒートシンクの落下も防止する。 (Second embodiment)
FIG. 4A is a plan view illustrating the stack of the power conversion device according to the second embodiment. FIG. 4B is a perspective view illustrating the stack of the power conversion device of the second embodiment. FIG. 4 (c) is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 4 (a).
In the above-described embodiment, the fall prevention band 30 is used to prevent the power semiconductor element 11 from falling. In the stack described above, in addition to the power semiconductor element 11, the heat sink 12 is in a state where it can fall downward when the pressure is released. Therefore, in the present embodiment, the heat sink is also prevented from falling during the replacement work.

図４（ａ）～図４（ｃ）に示すように、スタック２１０は、上述した他の実施形態の場合と異なるヒートシンク２１２と、絶縁フレーム２２０と、ピン２３０と、を備える。ヒートシンク２１２は、絶縁フレーム２２０側の側面にネジ穴が設けられている。絶縁フレーム２２０のヒートシンク２１２のネジ穴に対応する位置には、貫通孔（係止手段）２２１が設けられている。貫通孔２２１には、ピン（ヒートシンク支持手段）２３０が貫通されている。ピン２３０の先端部にはネジが切ってあり、ヒートシンク２１２のネジ穴によって、締結されている。 As shown in FIGS. 4 (a) to 4 (c), the stack 210 includes a heat sink 212, an insulating frame 220, and a pin 230, which are different from those of the other embodiments described above. The heat sink 212 is provided with a screw hole on the side surface on the insulating frame 220 side. A through hole (locking means) 221 is provided at a position corresponding to the screw hole of the heat sink 212 of the insulating frame 220. A pin (heat sink supporting means) 230 is penetrated through the through hole 221. A screw is cut at the tip of the pin 230, and the pin 230 is fastened by a screw hole of the heat sink 212.

絶縁フレーム２２０の貫通孔２２１は、スタック２１０が延伸している方向に長い長穴である。ピン２３０は、貫通孔２２１には、固定されておらず、ナット１５を締めたとき、ナット１５を緩めたときのいずれも貫通孔２２１に沿って、スライドすることができる。 The through hole 221 of the insulating frame 220 is an elongated hole that is long in the direction in which the stack 210 is extended. The pin 230 is not fixed to the through hole 221 and can slide along the through hole 221 both when the nut 15 is tightened and when the nut 15 is loosened.

ピン２３０は、好ましくは、絶縁性の材料で形成されている。ピンは、導電性の材料で形成されてもよいが、絶縁フレーム２２０の貫通孔２２１から突出する部分は、安全上の観点から、絶縁塗料等によって被覆等されるのが好ましい。 The pin 230 is preferably made of an insulating material. The pin may be formed of a conductive material, but the portion of the insulating frame 220 protruding from the through hole 221 is preferably covered with an insulating paint or the like from the viewpoint of safety.

本実施形態では、ヒートシンク２１２がピン２３０によって、絶縁フレーム２２０にスライド自在に支持されている。そのため、ナット１５を緩めて、ヒートシンク２１２への圧力を解除した場合であっても、ヒートシンク２１２は、ピン２３０によって絶縁フレーム２２０に支持されるので、ヒートシンク２１２が下方に落下することが防止される。 In this embodiment, the heat sink 212 is slidably supported by the insulating frame 220 by the pins 230. Therefore, even when the nut 15 is loosened to release the pressure on the heat sink 212, the heat sink 212 is supported by the insulating frame 220 by the pin 230, so that the heat sink 212 is prevented from falling downward. ..

本実施形態の構成は、上述した第１の実施形態の場合の落下防止バンドと組み合わせて用いることができる。これらを組み合わせることによって、電力用半導体素子１１およびヒートシンク１２両方の落下を防止することができる。 The configuration of this embodiment can be used in combination with the fall protection band in the case of the first embodiment described above. By combining these, it is possible to prevent both the power semiconductor element 11 and the heat sink 12 from falling.

（変形例）
上述の実施形態のヒートシンク１２，２１２にさらに構成を加えることによって、電力用半導体素子１１の落下を防止することができる。
図５（ａ）は、第２の実施形態の変形例の電力変換装置のスタックの一部を例示する正面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のヒートシンクの側面図である。図５（ｃ）は、図５（ａ）のヒートシンクの平面図である。 (Modification example)
By further adding a configuration to the heat sinks 12 and 212 of the above-described embodiment, it is possible to prevent the power semiconductor element 11 from falling.
FIG. 5A is a front view illustrating a part of a stack of power conversion devices according to a modification of the second embodiment. 5 (b) is a side view of the heat sink of FIG. 5 (a). 5 (c) is a plan view of the heat sink of FIG. 5 (a).

図５（ａ）～図５（ｃ）に示すように、ヒートシンク２１２ａは、本体２１２ｂと、素子支持部２１２ｃと、を含む。本体２１２ｂは、金属の板状体である。素子支持部２１２ｃは、本体２１２ｂの下部に設けられている。素子支持部２１２ｃは、電力用半導体素子１１の外周形状に応じた円弧状の支持面２１２ｄを有する。支持面２１２ｄは、ＸＺ平面視で、電力用半導体素子１１（図中の一点鎖線）の下方外周に沿う形状とされている。素子支持部２１２ｃのＹ軸方向の長さ（厚さ）は、電力用半導体素子１１の厚さよりも短く、かつ、スタックの圧力を解除したときに電力用半導体素子１１が落下しない程度に支持できる長さに設定されている。 As shown in FIGS. 5A to 5C, the heat sink 212a includes a main body 212b and an element support portion 212c. The main body 212b is a metal plate-like body. The element support portion 212c is provided at the lower part of the main body 212b. The element support portion 212c has an arc-shaped support surface 212d corresponding to the outer peripheral shape of the power semiconductor element 11. The support surface 212d has a shape along the lower outer circumference of the power semiconductor element 11 (dashed-dotted line in the figure) in the XZ plan view. The length (thickness) of the element support portion 212c in the Y-axis direction is shorter than the thickness of the power semiconductor element 11, and the element support portion 212c can be supported to such an extent that the power semiconductor element 11 does not fall when the pressure of the stack is released. It is set to the length.

本体２１２ｂは、アルミニウムや銅等を含む金属によって形成されている。素子支持部２１２ｃは、好ましくは樹脂等の絶縁性の材料によって形成されるが、導電性の材料であってもよい。導電性の材料によって形成する場合には、本体２１２ｂおよび素子支持部２１２ｃを一体で形成されていてもよい。 The main body 212b is formed of a metal including aluminum, copper, and the like. The element support portion 212c is preferably formed of an insulating material such as a resin, but may be a conductive material. When it is formed of a conductive material, the main body 212b and the element support portion 212c may be integrally formed.

本変形例によれば、スタックの圧力を解除したときに、電力用半導体素子１１は、素子支持部２１２ｃによって受け止められるので、電力用半導体素子１１の落下を防止することができる。 According to this modification, when the pressure of the stack is released, the power semiconductor element 11 is received by the element support portion 212c, so that the power semiconductor element 11 can be prevented from falling.

素子支持部２１２ｃを電力用半導体素子１１の外周形状に沿う形状とすることによって、電力用半導体素子１１の落下防止とともに、交換後の中心の位置合わせを容易に行うことができる。 By forming the element support portion 212c so as to follow the outer peripheral shape of the power semiconductor element 11, it is possible to prevent the power semiconductor element 11 from falling and to easily align the center after replacement.

（第３の実施形態）
図６（ａ）は、第３の実施形態の電力変換装置のスタックを例示する平面図である。図６（ｂ）は、第３の実施形態の電力変換装置のスタックを例示する斜視図である。図６（ｃ）は、図６（ａ）のＣＣ線における矢視断面図である。
上述した他の実施形態では、電力用半導体素子１１およびヒートシンク１２，２１２のそれぞれの落下防止する手段を構成要素に追加している。本実施形態では、電力用半導体素子１１およびヒートシンク１２を同時に落下防止する構成を追加する。 (Third embodiment)
FIG. 6A is a plan view illustrating the stack of the power conversion device according to the third embodiment. FIG. 6B is a perspective view illustrating a stack of power conversion devices according to a third embodiment. FIG. 6 (c) is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 6 (a).
In the other embodiment described above, means for preventing the power semiconductor element 11 and the heat sinks 12, 212 from falling are added to the components. In the present embodiment, a configuration is added to prevent the power semiconductor element 11 and the heat sink 12 from falling at the same time.

本実施形態の電力変換装置のスタック３１０は、上述した他の実施の絶縁フレーム２０，２２０とは異なる絶縁フレーム３２０を有する。 The stack 310 of the power conversion device of this embodiment has an insulating frame 320 different from the insulating frames 20 and 220 of the other embodiments described above.

図６（ａ）～図６（ｃ）に示すように、本実施形態の場合には、絶縁フレーム３２０は、フレーム本体３２０ａと、支持部３２０ｂと、を含む。フレーム本体３２０ａは、ＹＺ平面にほぼ平行な面を有する板状部分であり、上述した他の実施形態の場合における絶縁フレーム２０，２２０に対応する。 As shown in FIGS. 6A to 6C, in the case of the present embodiment, the insulating frame 320 includes a frame main body 320a and a support portion 320b. The frame body 320a is a plate-shaped portion having a plane substantially parallel to the YZ plane, and corresponds to the insulating frames 20 and 220 in the case of the other embodiments described above.

支持部３２０ｂは、フレーム本体３２０ａの下端に接続され、フレーム本体３２０ａとともにＹ軸方向に延伸している。支持部３２０ｂは、電力用半導体素子１１およびヒートシンク１２の配設されている側に延伸している。支持部３２０ｂは、ヒートシンク１２の下端を支持するように設けられている。支持部３２０ｂは、スタック３１０の圧力が解除されたときに、電力用半導体素子１１およびヒートシンク１２が落下しないようにこれらを支持する。 The support portion 320b is connected to the lower end of the frame main body 320a and extends in the Y-axis direction together with the frame main body 320a. The support portion 320b extends to the side where the power semiconductor element 11 and the heat sink 12 are arranged. The support portion 320b is provided so as to support the lower end of the heat sink 12. The support portion 320b supports the power semiconductor element 11 and the heat sink 12 so that they do not fall when the pressure of the stack 310 is released.

フレーム本体３２０ａおよび支持部３２０ｂは、いずれも絶縁性の材料、たとえばＦＲＰ等によって形成されている。支持部３２０ｂは、フレーム本体３２０ａに接着剤や締結材等によって接続されていてもよいし、フレーム本体３２０ａと一体に成形されていてもよい。 Both the frame body 320a and the support portion 320b are formed of an insulating material such as FRP. The support portion 320b may be connected to the frame main body 320a with an adhesive, a fastening material, or the like, or may be integrally molded with the frame main body 320a.

本実施形態では、スタック３１０は、電力用半導体素子１１およびヒートシンク１２の下方に設けられた支持部３２０ｂを有する絶縁フレーム３２０を有する。そのため、スタックの圧力を解除した場合には、支持部３２０ｂは、電力用半導体素子１１およびヒートシンク１２を受け止めることができるので、これらの落下を防止することができる。 In this embodiment, the stack 310 has an insulating frame 320 having a support portion 320b provided below the power semiconductor element 11 and the heat sink 12. Therefore, when the pressure of the stack is released, the support portion 320b can receive the power semiconductor element 11 and the heat sink 12, so that they can be prevented from falling.

以上説明した実施形態によれば、容易に電力用半導体素子を交換することができる電力変換装置を実現することができる。 According to the embodiment described above, it is possible to realize a power conversion device capable of easily exchanging a power semiconductor element.

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。 Although some embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and variations thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention and its equivalents described in the claims. In addition, each of the above-described embodiments can be implemented in combination with each other.

１０，２１０，３１０スタック、１１電力用半導体素子、１２，２１２，２１２ａヒートシンク、１３皿バネ、１４押え部材、１５ナット、１６ロッド、２０，２２０，３２０絶縁フレーム、２２金属フレーム、３０落下防止バンド、３１係止部、３２リング部、２１２ｂ本体、２１２ｃ素子支持部、２１２ｄ支持面、２２１貫通孔、２３０ピン、３２０ａ本体、３２０ｂ支持部、５００電力変換装置、５１０アーム、５１２リアクトル、５１４回路、１０００交流電源、１０１０変圧器 10,210,310 stacks, 11 power semiconductor devices, 12,212,212a heat sinks, 13 countersunk springs, 14 presser members, 15 nuts, 16 rods, 20, 220, 320 insulation frames, 22 metal frames, 30 fall prevention bands , 31 locking part, 32 ring part, 212b main body, 212c element support part, 212d support surface, 221 through hole, 230 pin, 320a main body, 320b support part, 500 power converter, 510 arm, 512 reactor, 514 circuit, 1000 AC power supply, 1010 transformer

Claims

Two heat sinks and
A power semiconductor element sandwiched between the two heat sinks,
An urging means for generating an urging force along a first direction in which the two heat sinks and the power semiconductor element are laminated on the two heat sinks and the power semiconductor element.
A pressure holding means that holds the urging force of the urging means and applies pressure to the two heat sinks and the power semiconductor element.
A plate-like body extending in the first direction, the frame supporting the two heat sinks, the power semiconductor element, the urging means, and the pressure holding means.
Equipped with a stack containing
The stack is
Further including an element supporting means for supporting the power semiconductor element via the frame when the pressure is released by the pressure holding means in the case of being mounted in parallel with the first direction.
The element support means is
A power conversion device connected to the lower end of the frame and provided below the two heat sinks, the power semiconductor element, the urging means, and the pressure holding means.