JPH0626237B2

JPH0626237B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JPH0626237B2
Application number: JP63105403A
Authority: JP
Inventors: 博板鼻; 義典薄井; 孝坪井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-04-30
Filing date: 1988-04-30
Publication date: 1994-04-06
Anticipated expiration: 2009-04-06
Also published as: JPH01278058A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、電力変換用半導体装置に係り、特に、沸騰冷
却方式の冷却装置を備えた電気車用電力変換装置に好適
な半導体装置に関する。

［従来の技術］半導体装置の一例として二種類の半導体素子を逆極性に
して並列に接続し、この逆並列体を複数個直列に接続し
た回路を有するものが従来より知られている。この種の
回路の一例として例えばゲートターンオフサイリスタ
（以下ＧＴＯと称す）を用いたインバータが知られてお
り、例えば特開昭５８−９３４９号公報に開示されてい
る。

ところで、上記公報でも触れているが、このような電力
変換用の半導体装置においては、半導体の冷却が重要な
課題であり、各種の提案がなされている。なお、上記公
報では、各逆並列体の単位スイツチング素子として、Ｇ
ＴＯを２個並列接続した場合について述べているが、そ
の後、ＧＴＯの大容量化が進み、近年では１個のＧＴＯ
を用いるようになつてきている。しかし、ＧＴＯの大容
量化に伴つてＧＴＯ１個当りの発熱量が増大し、それだ
けＧＴＯの冷却が重要な課題になつてきている。

第２図はＧＴＯを用いたインバータの一例として、三相
インバータの概略結線図を示したものであり、各逆並列
体は１個のＧＴＯを有するものである。該インバータ回
路の各相、例えばＵ相１６においては、ＧＴＯ２１と逆
並列にダイオード31が接続され、更にこの逆並列体に直
列にＧＴＯ22とダイオード３２の逆並列体が接続されて
いる。他のＶ相１７，Ｗ相１８も同様に構成され、各相
は負荷、例えばモータ１９に接続されている。なお、第
２図において、１はコンデンサ、４はリアクトル、５は
ダイオードであり、１２，１３は電源（図示せず）に接
続された入力端子である。

今、この一相分、例えばＵ相の半導体素子、すなわちＧ
ＴＯ２１，２２と、ダイオード５，３１，３２をとり出
してみると、これらの半導体素子は第３図に示すような
積層順序で冷却装置内に組み込まれている。この第３図
に示す冷却装置は公知の典型例であり、冷却媒体の沸騰
作用を利用して平形半導体素子を冷却するものであり、
例えば特開昭５０−１２３２７７号公報に示されている
もので、図において、６１〜６５の各々は、その内部７
に沸騰可能な冷却媒体、例えばフロンＲ113（トリクロ
ロトリフルオロエタン）を内容する冷却フインであり、
熱伝達用平板状電気導体部材として機能し、隣接する平
形半導体素子を電気的に接続すると共に、それらの発熱
により内部の冷媒が沸騰して気化し、半導体素子の熱を
奪うよう構成されている。ここで発生した蒸気は絶縁管
８１〜８５を通り、凝縮器９へと導かれ、ここで外気と
熱交換を行い、ＧＴＯ２１，２２と、ダイオード３１，
３２からなる平形半導体素子の温度上昇を抑える働きを
する。

従つて、この第３図の従来例では、各平形半導体素子と
冷却フイン６１〜６５との積層構造だけで得られる電気
的接続状態についてみると、第４図の実線で示すように
なつており、接続導体41′，４２′による接続部分は破
線で示すようになつている。

［発明が解決しようとする課題］上記従来技術は、それぞれの半導体素子間での発熱状態
に差がある点について配慮がされておらず、装置の小形
化が充分に得られないという問題があつた。すなわち、
第３図の従来例で、各冷却フイン６１〜６５のうち、冷
却フイン６２，６３，６４は両側面に隣接する半導体素
子によつて加熱されるため、両側面の半導体素子を冷却
するに充分な冷却能力が要求され、冷却フインを大形化
せざるを得ないのである。一方、電車の床下に搭載する
駆動モータ制御用のインバータ等にあつては、装置寸法
の制約が厳しく、従つて冷却フインの大形化には限界が
あり、改善が望まれていた。

本発明の目的は、従来装置の欠点を除去し、小形化に好
適な半導体装置を提供することである。

［課題を解決するための手段］上記目的は、少なくとも一つの第１の半導体素子と少な
くとも一つの第２の半導体素子を逆並列に接続し、該逆
並列体を複数個直列に接続した複数組の半導体回路を備
えた半導体装置において、第１の半導体素子と第２の半
導体素子を交互に積層し、第１の半導体素子と第２の半
導体素子の間に素子を冷却すると共にこれらを電気的に
接続する冷却部材を挿入し、第１、第２の半導体素子を
電気的に逆並列に接続し、この逆並列体を複数個直列に
接続すると共に、この直列体を複数組構成する接続導体
を備えることにより達成される。

［作用］第１と第２の半導体素子の逆並列体を複数個直列に接続
した回路においては、第１と第２の半導体素子は一般に
それぞれの負荷最大時点が異る。このため、第１と第２
半導体素子を交互に冷却部材を介して積層することによ
り熱負荷の配分が均等化され、冷却部材り大形化を防ぐ
ことができる。

すなわち、各冷却部材をはさむ第１と第２の半導体素子
は、一方が最大負荷のとき、一般には他方は最大負荷で
ないので、各冷却部材の冷却能力の均一化が図られ、半
導体装置を小形化することができるのである。

例えば、第２図のインバータを電気車用誘導電動機の制
御用として用いた場合、ＧＴＯとダイオードの熱負荷と
電気車の運転モードとの関係の典型例は、例えば第５図
（Ａ），（Ｂ）に示すようになつており、図においてｌ
₁，ｌ₂はＧＴＯの熱負荷特性、ｌ₃はダイオードの熱負
荷特性を示す曲線、ｌ₄はＧＴＯとダイオードの合計の
熱負荷特性（即ち、ｌ₁とｌ₃の合計の熱負荷）をそれぞ
れ示し、さらに区間Ａは電気車の力行期間、区間Ｂは惰
行期間、区間Ｃは回生ブレーキ期間を示している。な
お、破線ｌ₂は起動後楕行運転を行つた場合を示す。

この第５図から明らかなように、通常力行時はＧＴＯの
熱負荷、即ち発熱量は最大となり、他方、ダイオードの
熱負荷は最大でなく、その値はGTO の熱負荷に比べて小
さい。また、回生ブレーキ時にはＧＴＯの熱負荷は小さ
く、一方ダイオードの熱負荷は最大となりＧＴＯの熱負
荷より大きくなつている。

一方、沸騰作用を利用して冷却を行う冷却部材の熱時定
数は５〜１０秒と短かく、力行時間やブレーキ時間に比
べて短時間となる。

そこで、いま、従来例として示した第３図の構成でこの
負荷条件を考えると、冷却部材６２では、その両側でＧ
ＴＯ２１と２２から熱を同時に受けるため、力行時には
両側から最大の熱負荷を受けることになる。従つて冷却
部材６２としては、他の冷却部材６１，６３〜６５に比
べて熱抵抗が低い大形の冷却部材であることが必要とな
る。また、回生ブレーキ時には、両ダイオード３１と３
２にはさまれた冷却部材６４の熱的負荷が大きくなり、
冷却部材６４は大形化せざるを得ない。

本発明は、この様にＧＴＯが最大負荷の時にダイオード
が最大負荷でないこと、ＧＴＯが最大負荷でない時にダ
イオードか最大負荷であることに着目したものであり、
第１の素子（ＧＴＯ）と第２の素子（ダイオード）を冷
却部材を介して交互に並べることにより、冷却部材の一
方が最大負荷の時、他方が最大負荷でなくなるように
し、これにより冷却部材の熱負荷を軽減して冷却部材の
小形化、ひいては装置の小形化を図ろうとするものであ
る。

［実施例］以下、本発明による半導体装置について、図示の実施例
により詳細に説明する。

第１図は本発明を第２図のインバータ回路に適用した場
合の一実施例で、第６図はこの第１図の実施例における
Ｕ相１６の部分のＧＴＯ21,22及びダイオード５，３
１，３２の配列を示したものである。図中、第３図の従
来例と同一機能を有するものは同一番号を付してある。
第７図は各半導体素子５，２１，２２，３１，３２の積
層順序を示す図である。

これら、第６図、第７図から明らかな様に、ダイオード
とＧＴＯは交互に積層され、これらの間には冷却部材が
介在され、隣接するＧＴＯとダイオードを電気的に接続
している。従つて、冷却フイン１０１〜１０４の各々は
一方側がＧＴＯに接し、他方側がタイオードに接してお
り、従つて隣接する両素子は同時に熱負荷が最大となる
ことはない。冷却部材は好ましくは、冷媒の沸騰作用を
利用して冷却を行うもので、第４図のものと同一で良
い。

この場合、冷却部材の熱時定数はＧＴＯ及びダイオード
の負荷時間（比較的大きい負荷が接続する時間）に対し
て短いので、負荷の最大値にほぼ対応した熱抵抗が要求
されるが、両側の素子が同時に最大負荷状態になること
は無いので、冷却部材は小形でも必要な熱的条件を満足
することができる。

第６図、第７図において、４１，４２はそれぞれ対応す
る２つの冷却部材を接続する接続導体であり、これらに
より、ＧＴＯとダイオードの逆並列体を２組直列に形成
している。即ち、接続導体４１は冷却部材１０１，１０
５を電気的に接続し、接続導体４２は冷却部材１０２，
１０４を電気的に接続している。

第６図の実施例においては、ダイオード５の左側に冷却
部材が置かれていないが、このダイオード５は他の半導
体素子に比べ発熱量が少なく、一面のみの冷却で充分な
ため他方面の冷却部材を省略したものである。

ここで、第１図に戻ると、この第１図の実施例は、上記
したように、第２図のインバータ回路に本発明を適用し
た例であり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を一体に構成してインバ
ータ装置を小型化するようにしたものであり、この第１
図から明らかな様に、各相の構成はほヾ第６図の例と同
様であり、Ｕ相１６の冷却フイン１０５に隣接してＶ相
１７のＧＴＯ１２２が配列され、更にＶ相の冷却フイン
１０９に隣接してＷ相のＧＴＯ２２２が配置されてい
る。尚、図ではＷ相１８のＧＴＯ２２２、冷却フイン１
１０以外の構成は省略してある。各相のダイオード５，
１５はそれぞれ、冷却フイン１０３，１０７に取付けて
ある。

そして、この実施例においては、各相の境界部はそれぞ
れ冷却フイン１０５，１０９を介してＧＴＯとダイオー
ドが隣接する様に配置されている。従つて、第５図の実
施例同様、全ての冷却部材は両側がＧＴＯに隣接すると
言うことは無いため、冷却部材の熱負担を軽減して冷却
部材を小型化できる。即ち、３相分のＧＴＯとダイオー
ドを交互に積層することにより各相を隣接して配置する
ことが可能である。

又、Ｕ，Ｖ，Ｗ相が夫々独立した従来例の構成の場合に
は相間の電気絶縁が必要で、その為のスペースも必要で
あつたが、第１図の実施例ではこの絶縁スペースが不要
である外、相間の冷却部材を隣接するＧＴＯとダイオー
ドで共用する構造であるため、従来装置よりも大幅に小
型化できるものである。尚、図中、１０１〜１１０は冷
却フイン、１２１，１２２，２２２はＧＴＯ，１３１，
１３２はダイオード、４１〜４６は接続導体、81〜９０
は絶縁管である。

また、この第１図及び第６図の実施例では、ＧＴＯが第
１の半導体素子、ダイオードが第２の半導体素子であ
り、これら第１と第２の半導体素子が逆並列接続体を構
成し、そらに、ＧＴＯ２１とダイオード３１、それにＧ
ＴＯ２２とダイオード３２が単位半導体回路組立体を構
成し、かつ、ＧＴＯ２２とダイオード３１が第１のグル
ープ1G，ＧＴＯ２１とダイオード３２が第２のグループ
2Gを構成しているものである。

次に、この第１図の実施例における各半導体素子と冷却
フインの積層だけで形成される接続路を実線で、そして
接続導体で形成される接続路を破線でそれぞれ表わすと
第８図に示すようになる。なお、この第８図に表わされ
ているＧＴＯ２２１、ダイオード２５，２３１，２３２
は第１図では省略されているＷ相１８のものである。

ところで、この第１図（第８図）の実施例におけるダイ
オード５，１５，２５は、インバータ主回路の負荷側に
挿入してもよく、そのようにした一実施例を第９図に示
す。

この第９図の実施例では、第８図の実施例の場合とは半
導体素子の積層順序を少し変更してあり、ＧＴＯ２１、
ダイオード３２、ＧＴＯ２２、ダイオード３１，ＧＴＯ
１２１、ダイオード１３２，ＧＴＯ１２２、ダイオード
１３１，ＧＴＯ２２１、ダイオード２３２，ＧＴＯ２２
２、ダイオード２３１の順に積層したものであり、隣接
するGTOとダイオードの間に冷却フインを介在させ、ダ
イオード５，１５，２５はそれぞれＧＴＯ22,122，２２
２の陰極側の冷却部材に取付けたものである。なお、図
中で破線５１〜５６は接続導体である。

なお、以上の実施例では、サイリスタとダイオードを互
いに逆極性にして並列に接続し、これらを複数個直列に
した複数個の回路を有する半導体装置において、サイリ
スタとダイオードを交互に積層して、この相互間に冷媒
の沸騰作用を利用した冷却部材を介在させる構成とした
ので、時間的に負荷条件の異るサイリスタとダイオード
が冷却部材を共用することになり、冷却部材や半導体装
置を小形化することが可能である。又、導電性の冷却部
材を用いることにより、相隣るサイリスタとダイオード
が同電位となり、中間に絶縁層を設ける必要が無く、こ
の点でも小形化に寄与している。

ところで、上記実施例では、本発明のインバータ回路に
適用した場合について説明したが、本発明はこれに限ら
ず、第１と第２の半導体素子を逆並列に接続し、この逆
並列体を複数個直列に接続した複数組の回路を有し、第
１、第２半導体素子の負荷最大時点が異なる回路にな
ら、どのようなものでも適用可能である。

［発明の効果］本発明によれば、時間的に負荷条件の異る第１の半導体
素子と第２の半導体素子を交互に積層し、この相互間に
冷却部材を介在させ共用化を図ることができ、充分な冷
却部材の小形化と半導体装置の小形化を得ることができ
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体装置の一実施例を示す断面
図、第２図は本発明の一実施例が適用されたインバータ
回路の主回路図、第３図は従来例の断面図、第４図は積
層回路の説明図、第５図はインバータ回路における熱負
荷特性の説明図、第６図は第１図の実施例の１相分を表
わす断面図、第７図は積層回路の説明図、第８図は第１
図の実施例の積層回路の説明図、第９図は本発明の他の
一実施例の積層回路の説明図である。２１，２２，１２１，１２２，２２１，２２２……ＧＴ
Ｏサイリスタ、５，１５，２５，３１，３２，１３１，
１３２，２３１，２３２……ダイオード、４１〜４６，
５１〜５５……接続導体、１０１〜１１０……冷却フイ
ン、９……凝縮器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１と第２の平形半導体素子の逆並列接続
体を複数個直列に接続してなる複数組の半導体回路を備
えた半導体装置において、上記逆並列接続体が、上記第
１と第２の平形半導体素子を両側に積層した熱伝達用平
板状電気導体部材と上記第１と第２の平形半導体素子の
外側を相互に接続する導電体部材とで逆並列接続した単
位半導体回路組立体からなり、上記半導体回路が、熱伝
達用平板状電気導体部材を挟んで積層されることにより
直列接続された複数個の上記単位半導体組立体で構成さ
れていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、上記単位
半導体回路組立体が第１のグループの単位半導体回路組
立体と第２のグループの単位半導体回路組立体からな
り、上記第１のグループの単位半導体回路組立体では、
上記第１と第２の平形半導体素子がそれぞれアノード側
を対向させて上記熱伝達用平板状電気導体部材に積層さ
れ、上記第２のグループの単位半導体回路組立体では、
上記第１と第２の平形半導体素子がそれぞれカソード側
を対向させて上記熱伝達用平板状電気導体部材に積層さ
れていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】特許請求の範囲第１項又は第２項におい
て、上記単位半導体回路組立体に含まれる第１と第２の
平形半導体素子が、上記半導体装置内での発熱動作時期
を異にする１対の平形半導体素子で構成されていること
を特徴とする半導体装置。
【請求項４】特許請求の範囲第３項において、上記熱伝
達用平板状電気導体部材が内部に沸騰冷却媒体を封入し
た中空構造体で構成され、凝縮器との間で沸騰冷却作用
を行なう蒸発器を構成していることを特徴とする半導体
装置。
【請求項５】特許請求の範囲第１項ないし第４項のいず
れかにおいて、上記半導体回路が、インバータ装置の各
アーム回路を構成し、上記第１と第２の平形半導体素子
が、ゲートターンオフサイリスタとダイオードであるこ
とを特徴とする半導体装置。
【請求項６】特許請求の範囲第５項において、上記各ア
ーム回路のマイナス電位側が直接接続されていることを
特徴とする半導体装置。
【請求項７】特許請求の範囲第５項において、上記各ア
ーム回路のプラス電位側が直接接続されていることを特
徴とする半導体装置。
【請求項８】特許請求の範囲第１項ないし第７項のいず
れかにおいて、上記半導体回路を構成する単位半導体回
路組立体が、その端部に熱伝達用平板状電気導体部材を
有することを特徴とする半導体装置。