JP7435416B2

JP7435416B2 - 直列接続型装置

Info

Publication number: JP7435416B2
Application number: JP2020192320A
Authority: JP
Inventors: 俊宏長田
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2020-11-19
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2024-02-21
Anticipated expiration: 2040-11-19
Also published as: JP2022081034A

Description

この発明は、冷却が必要な複数のディスクリート型デバイスを直列に接続した直列接続型装置に関する。

高速・高電圧出力のパルス幅変調式パルス電源としては、ＰＦＬやＰＦＮあるいはブルームラインによる回路方式もあるが、特にパルスの立ち上がり／立ち下がり時間が数十nsecと短く、かつ数百nsecまでの短いパルス幅出力が求められるような場合には、容易にパルス幅変調できるものとして、スイッチによってダイレクトに負荷に電力を供給する方式が有効である。

図５は、パルス発生回路の基本的な回路構成例を示し、電源と負荷loadとの間に設けられたスイッチＳＷ１，ＳＷ２、抵抗Ｒ１，Ｒ２等から構成されている。Ｌは、電源と負荷間の浮遊インダクタンスである。外部から直流電源等で電源供給し、その直流電源の応答性により電圧低下が考えられる場合には、図のようにコンデンサＣが挿入される。抵抗Ｒ１，Ｒ２は、電源と負荷との間の浮遊インダクタンスＬや負荷によって発生するリンギング防止用に挿入されている。このような回路では、図６に示すように、スイッチＳＷ１をＯＮ、スイッチＳＷ２をＯＦＦとすると負荷側の電圧が立ち上がり、スイッチＳＷ１をＯＦＦ、スイッチＳＷ２をＯＮとすると電圧が立ち下がる。なお、負荷が抵抗負荷の場合は抵抗Ｒ２およびスイッチＳＷ２が不要となるが、容量性等により負荷側にエネルギが残存する間に電圧を立ち下げるには抵抗Ｒ２およびスイッチＳＷ２が必要である。スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、ＭＯＳＦＥＴ等の電力用半導体素子によって構成される。

主にプラズマ発生用途で使用する場合には、負荷loadに印加される電圧は高電圧（例えば数ｋＶ～数十ｋＶ）となる。スイッチＳＷ１，ＳＷ２についても、負荷loadに印加される電圧が必要であることから、高耐圧が要求される。

このような高耐圧が要求されるスイッチＳＷ１，ＳＷ２等の要素を比較的低コストに実現する一つの手法として、複数のディスクリート型デバイスを多段に直列に接続した構成のものが知られている。

このようなディスクリート型デバイスを直列接続した装置では、冷却水等の冷却媒体の循環による冷却構造が必要である。例えば、窒化アルミニウム等のセラミック板の上に、複数のディスクリート型半導体スイッチングデバイスを並べて配置し、セラミック板下面に銅等からなる冷却水配管を設けた構成が考えられ、冷却性を考慮すると、ディスクリート型デバイスのパッケージ底面がセラミック板に接した形でセラミック板に取り付けられることとなる。

一方、特許文献１は、銅等からなる冷却水配管からセラミック板を浮かせた状態で支持し、このセラミック板上にディスクリート型半導体スイッチングデバイスを取り付けたパルス電源装置を開示している。

特開２０１９－１１５１３６号公報

例えばディスクリート型半導体スイッチングデバイスのパッケージの底面はドレイン電極となっているものが多く、冷却水配管がアースに接地されている場合、冷却水配管を備えたセラミック板の上にディスクリート型半導体スイッチングデバイスを並べた構成では、接地－ドレイン間での浮遊容量が発生する。

図７は、浮遊容量を含む場合の複数の半導体スイッチ（ＳｉＣ１～ＳｉＣ５）の多段直列接続における回路構成を示しており、Ｃ６～Ｃ１１として示す部分が浮遊容量である。このように浮遊容量Ｃ６～Ｃ１１があると、複数のスイッチングデバイス（ＳｉＣ１～ＳｉＣ５）の電圧分担が不均一となり、特に高圧側電圧に近い側（図ではＳｉＣ５側）の電圧が高くなりやすい。

一方、特許文献１は、冷却水配管からセラミック板を離して支持することで浮遊容量の低減を図っているが、構成が比較的複雑で部品点数が多くなるとともに、冷却効率が比較的に低くなり、なお改善の余地がある。

この発明に係る直列接続型装置は、
液相冷媒が通流する冷媒通路を有する金属性放熱板と、
この金属性放熱板の少なくとも一方の面に重ねて設けられた絶縁性セラミック層と、
この絶縁性セラミック層の上に、上記面に対し直交するように起立した姿勢で配置され、かつ基部がそれぞれ上記絶縁性セラミック層に接合された複数の銅製の支持板と、
各支持板の一方の面に個々に取り付けられた複数のディスクリート型デバイスと、
これら複数のディスクリート型デバイスの端子を直列に接続する回路部と、
を備えて構成されている。

例えば、上記ディスクリート型デバイスがディスクリート型半導体スイッチングデバイスであり、この直列接続型装置によってパルス電源装置が構成される。

金属性放熱板が接地されている状態では、ディスクリート型デバイスのドレインとアース間に、銅製支持板と絶縁性セラミック層とが直列に介在した形となる。銅製支持板のインピーダンスがほぼ０であるのに対し、絶縁性セラミック層のインピーダンスは無限大に近く、従って、各デバイスのドレインとアースとの間が高インピーダンスで接続されていることとなり、浮遊容量が低減する。

一方、ディスクリート型デバイスで発生した熱は、銅製支持板を介して絶縁性セラミック層を備えた金属性放熱板へと伝わり、さらに冷媒通路を流れる液相冷媒へ伝わる。つまり、液相冷媒によってディスクリート型デバイスが効果的に冷却される。

本発明の好ましい一つの態様では、
上記端子は、上記支持板の周縁から一方へ突出しており、
上記回路部は、これらの端子を互いに接続する回路基板からなる。

他の好ましい一つの態様では、
上記端子は、各ディスクリート型デバイスから上記絶縁性セラミック層へ向かって延びており、
上記回路部は、上記絶縁性セラミック層の表面上に設けられた導体パターンからなる。

また、好ましい一つの態様では、上記冷媒通路は、上記金属性放熱板の内部に形成されている。

この金属性放熱板内部の冷媒通路は、管路状に形成されていてもよく、あるいは、広く拡がった格子状に形成されていてもよい。

また、本発明の具体的な一つの態様では、上記絶縁性セラミック層と上記支持板との間、および、上記ディスクリート型デバイスと上記支持板との間、がそれぞれ、ろう付け接合されている。

この発明によれば、比較的簡単な構成でもってディスクリート型デバイスの冷却と浮遊容量の低減とを両立させることができる。従って、例えば複数のディスクリート型半導体スイッチングデバイスの多段直列接続によりバルス電源装置を構成した場合に、各半導体スイッチングデバイスの電圧分担の均等化が図れる。

この発明の第１実施例の側面図。同じく第１実施例の平面図。第２実施例の側面図。第３実施例の平面図。パルス発生回路の回路図。同パルス発生回路による波形図。浮遊容量を含む複数のスイッチング素子を直列接続した回路図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１および図２は、この発明を高速・高電圧出力のパルス電源装置のスイッチ部に適用した第１実施例を示している。この第１実施例の装置は、主に、水冷ケースとなる金属製の放熱板１と、この放熱板１の面上に複数配置された支持板２と、これらの支持板２に個々に取り付けられたディスクリート型半導体スイッチングデバイス３と、を備えている。

放熱板１は、熱伝導に優れた金属、例えば銅やアルミニウムなどから比較的に厚肉の矩形の板状に形成されており、その内部に冷媒通路として冷却水通路４が形成されている。冷却水通路４は、適宜に蛇行した１本の連続した管路状に形成されており、図示例では、略U字形をなすように１回だけ折り返された形に構成されている。換言すれば、放熱板１は、内部に冷却水通路４を形成し得るだけの肉厚を有している。冷却水通路４の入口部４ａおよび出口部４ｂは、図２に示すように円筒形のコネクタ状に突出して形成されており、それぞれに、冷却水配管となる絶縁性チューブ５が接続される。つまり、図示しない外部のポンプによって、液相冷媒としての冷却水が冷却水通路４を流れ、放熱板１を冷却する。この金属性放熱板１は、装置使用時には、何らかの経路を介してアースに接地される。

金属性放熱板１の上面および下面には、各々の面に重ねて絶縁性セラミック層６，７が設けられている。つまり、金属性放熱板１の２つの主面の全面が絶縁性セラミック層６，７によって覆われている。この絶縁性セラミック層６，７としては、絶縁性が高くかつ熱伝導性が高いセラミックであることが望ましく、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）が好ましい。一実施例においては、窒化アルミニウムからなる薄い板を軟質両面テープを用いて金属性放熱板１の面に接合することで、絶縁性セラミック層６，７が構成されている。

なお、半導体スイッチングデバイス３が配置されない金属性放熱板１の下面側の絶縁性セラミック層７は省略してもよい。また、セラミック製の薄板を金属性放熱板１に接合する代わりに、窒化アルミニウム等で薄肉の箱状体を形成し、金属性放熱板１を覆うように構成してもよい。

支持板２は、熱伝導性に優れた銅からなり、比較的厚肉（例えば数ｍｍ程度）の矩形の板状をなしている。そして、絶縁性セラミック層６で覆われた金属性放熱板１の主面に対し直交するように起立した姿勢で配置されている。複数個の支持板２は、図２に示すように、略Ｕ字形に延びた冷却水通路４に沿って、つまり各支持板２が冷却水通路４の上に位置するように配置されている。さらに詳しくは、図２のような平面視において冷却水通路４に対し直交するような姿勢で配置されている。図示例では、略Ｕ字形の冷却水通路４の一対の直線部の上に、それぞれ３個ずつ支持板２が適宜な間隔でもって並べられている。

支持板２は、その基部がセラミック層６にろう付けされており、これによって放熱板１に対し固定されている。

ディスクリート型半導体スイッチングデバイス３は、ＳｉＣ素子等の適宜なスイッチング素子を用いたもので、複数の支持板２の一方の面にそれぞれ１個ずつ配置されている。そして、ディスクリート型半導体スイッチングデバイス３は、偏平な略矩形の樹脂パッケージ３ａを有し、この樹脂パッケージ３ａの背面が支持板２の一方の面に密接するようにして、ろう付けにより支持板２に固定されている。詳しくは、図１に示すように、樹脂パッケージ３ａの上端と支持板２の上端とが整列するように支持板２の上方に取り付けられている。

また、ディスクリート型半導体スイッチングデバイス３の端子３ｂは、樹脂パッケージ３ａの上端から上方へ延びている。そして、図示例では、図１に示すように、ディスクリート型半導体スイッチングデバイス３を直列接続するための回路部として、放熱板１の上方に該放熱板１と平行に設けられた回路基板８を備えており、この回路基板８に各デバイス３の端子３ｂが接続されている。従って、複数のディスクリート型半導体スイッチングデバイス３は、回路基板８を介して直列に接続されている。端子３ｂは支持板２の上端よりも上方へ突出しており、回路基板８は複数の支持板２の上方に位置している。

回路基板８は、図２では図示省略されているが、略Ｕ字形の冷却水通路４全体を覆う範囲に設けられており、冷却水通路４に沿った左右３個ずつの計６個のディスクリート型半導体スイッチングデバイス３を１個の回路基板８で接続することができる。

なお、複数のディスクリート型半導体スイッチングデバイス３が単純に１つの直線に沿って並べられている場合には、支持板２の側方を通過するように回路基板を設けることも可能である。

このような構成の直列接続型装置においては、金属性放熱板１がアースに接地されており、ディスクリート型半導体スイッチングデバイス３のドレインとアース間に、銅製支持板２と絶縁性セラミック層６とが直列に介在した形となる。銅製支持板２のインピーダンスがほぼ０であるのに対し、窒化アルミニウム等からなる絶縁性セラミック層６のインピーダンスは無限大に近く、従って、各デバイス３のドレインとアースとの間が高インピーダンスで接続されていることとなり、浮遊容量が低減する。

従って、前述した浮遊容量に起因した各デバイス３の電圧分担の不均一性が抑制される。

また、ディスクリート型半導体スイッチングデバイス３で発生した熱は、銅製の支持板２に吸収され、この支持板２から薄板状の絶縁性セラミック層６を介して金属性放熱板１へと伝わる。そして、内部の冷却水通路４を流れる冷却水へと伝わる。支持板２の下端部は冷却水通路４に隣接しているので、支持板２に背面が接した状態で取り付けられているディスクリート型半導体スイッチングデバイス３が効果的に冷却される。

特に、この実施例の装置では、構成が簡素でありかつ部品点数が少ない。つまり、比較的簡単な構成でもって複数のディスクリート型半導体スイッチングデバイス３の冷却と浮遊容量の低減とを両立させることができる。

次に、図３に基づいて、この発明の第２実施例を説明する。この第２実施例においては、複数のディスクリート型半導体スイッチングデバイス３を直列接続する回路部として、セラミック層６の表面上に導体パターン１１が設けられている。導体パターン１１は、一般的な印刷技術やエッチング技術等を用いて形成することができる。ディスクリート型半導体スイッチングデバイス３における端子３ｂは、樹脂パッケージ３ａの下端から下方へ、つまりセラミック層６側へと延びており、それぞれ導体パターン１１に接続されている。この導体パターン１１によって、複数のディスクリート型半導体スイッチングデバイス３が直列に接続されている。

この第２実施例によれば、前述した第１実施例の回路基板８が不要となり、部品点数が少なくなるとともに、装置の占有スペースをより小さくすることができる。

次に、図４に基づいて、この発明の第３実施例を説明する。この第３実施例においては、比較的に厚い板状をなす金属性放熱板１の内部に設けられる冷却水通路１４が格子状に構成されている。冷却水通路１４の入口部１４ａおよび出口部１４ｂは、第１実施例と同様に、金属性放熱板１の１つの端面において円筒形のコネクタ状に突出して形成されており、それぞれに、冷却水配管となる絶縁性チューブ１５が接続される。

冷却水通路１４は、入口部１４ａおよび出口部１４ｂにそれぞれ導通した比較的大きな容積の細長い集合部１４ｃ，１４ｄと、一方の集合部１４ｃと他方の集合部１４ｄとの間に延びた複数の細い通路が交差してなる格子部１４ｅと、から構成される。図示例では、互いに直交する複数の細い通路によって格子部１４ｅが形成されている。

従って、この第３実施例では、金属性放熱板１のほぼ全面に亘って比較的に均一な冷却を行うことができ、複数のディスクリート型半導体スイッチングデバイス３の温度差が抑制される。なお、回路部として、第１実施例のような回路基板８を用いてもよく、第２実施例のような導体パターン１１を用いてもよい。

格子状の冷却水通路１４は、例えば、金属性放熱板１を金属材料の鋳造で製造する場合には鋳造時に中子を用いて形成することができる。あるいは、板状の母材に溝状に機械加工した上で開口面を板状のカバーで覆うなどして形成することもできる。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施例では複数のディスクリート型半導体スイッチングデバイス３を直列接続してパルス電源装置に適用した例を説明したが、この発明は、パルス電源装置に限らず、冷却および浮遊容量の抑制が必要なディスクリート型デバイスを直列接続してなる種々の装置に適用することができる。また上記実施例では液相冷媒として冷却水を用いているが、冷却水以外の液相冷媒を用いることも可能である。また、金属性放熱板１は、上記実施例のような単純な板状のものに限られず、例えばケース状の構成であってもよい。

１…金属性放熱板
２…銅製支持板
３…ディスクリート型半導体スイッチングデバイス
４…冷却水通路
６，７…絶縁性セラミック層
８…回路基板
１１…導体パターン
１４…冷却水通路
１４ｅ…格子部

Claims

液相冷媒が通流する冷媒通路を有する金属性放熱板と、
この金属性放熱板の少なくとも一方の面に重ねて設けられた絶縁性セラミック層と、
この絶縁性セラミック層の上に、上記面に対し直交するように起立した姿勢で配置され、かつ基部がそれぞれ上記絶縁性セラミック層に接合された複数の銅製の支持板と、
各支持板の一方の面に個々に取り付けられた複数のディスクリート型デバイスと、
これら複数のディスクリート型デバイスの端子を直列に接続する回路部と、
を備えてなる直列接続型装置。
上記端子は、上記支持板の周縁から一方へ突出しており、
上記回路部は、これらの端子を互いに接続する回路基板からなる、
請求項１に記載の直列接続型装置。
上記端子は、各ディスクリート型デバイスから上記絶縁性セラミック層へ向かって延びており、
上記回路部は、上記絶縁性セラミック層の表面上に設けられた導体パターンからなる、
請求項１に記載の直列接続型装置。
上記冷媒通路は、上記金属性放熱板の内部に格子状に形成されている、
請求項１～３のいずれかに記載の直列接続型装置。
上記絶縁性セラミック層と上記支持板との間、および、上記ディスクリート型デバイスと上記支持板との間、がそれぞれ、ろう付け接合されている、
請求項１～４のいずれかに記載の直列接続型装置。
上記ディスクリート型デバイスがディスクリート型半導体スイッチングデバイスであり、
パルス電源装置を構成する請求項１～５のいずれかに記載の直列接続型装置。