JPH1028377A - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置

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JPH1028377A
JPH1028377A JP17768096A JP17768096A JPH1028377A JP H1028377 A JPH1028377 A JP H1028377A JP 17768096 A JP17768096 A JP 17768096A JP 17768096 A JP17768096 A JP 17768096A JP H1028377 A JPH1028377 A JP H1028377A
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heat sink
gto
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寿彰 松本
Toshiharu Obe
利春 大部
Nobuhiro Takahashi
伸広 高橋
Akira Nakajima
亮 中嶋
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Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体素子に付加されるスナバ回路の低インダ
クタンス化を図るヒートシンクを有する電力変換装置を
提供すること。 【解決手段】 ヒートシンク1には、点線で示す部分に
1つのGTO3とスナバダイオード4が配置される。一
方の口出し5から入った冷却水は、流路2を通り、GT
O3とスナバダイオード4を冷却する。GTO3の取付
部分であるφDGTO と、スナバダイオード4の取付け部
分であるφDDSは、往路6と復路7とが交互に構成さ
れ、各半導体素子の取付中心付近に渦巻の中心があるよ
うに形成される。さらに、GTO3とスナバダイオード
4の中心間距離はできるだけ近接する配置とし、所定の
絶縁を満足する最小値で設計する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子の冷却
技術に適用する電力変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、インバータ等の電力変換装置に用
いられているGTO(Gate Turn-OffThyristor )は大
容量化が進み、既に6kV−6kA以上の定格のGTO
が発表されている。GTOを用いた電力変換装置におい
ては、大電流を遮断する際に生じるサージ電圧を抑制す
るため、低インダクタンス化を実現したスナバ回路が必
要となる。
【0003】図13に、電力変換装置において、半導体
素子を冷却する従来のヒートシンクを示す。このヒート
シンクは、実公平6ー39502号公報に記載されたも
のである。冷媒が流れる渦巻状の流路30が、中心部で
反転して逆の渦巻状で外部に向かう構成になっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の電力変換装置におけるヒートシンクでは、半導体素
子に付加されるスナバ回路の低インダクタンス化を図る
ことができないため、サージ電圧の抑制が困難であり、
半導体素子の能力を十分活用できない問題がある。
【0005】そこで、本願発明は、上記の問題点を鑑
み、半導体素子に付加されるスナバ回路の低インダクタ
ンス化を実現するヒートシンクを有した電力変換装置を
提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1記載の発明は、半導体素子と、内部に冷媒
が流れる渦巻状の流路を有し、該半導体素子を冷却する
ヒートシンクとを有する電力変換装置において、複数の
半導体素子と、該冷媒を供給する給水流路と該冷媒を排
出する排水流路との間に、渦巻状の流路を複数配置した
流路を有し、該複数の半導体素子を冷却するヒートシン
クとを具備したことを特徴とする。
【0007】請求項2記載の発明は、該渦巻状の流路と
その他の複数の渦巻状の流路との間隔が、それぞれ略同
一距離で配置されていることを特徴とする。請求項3記
載の発明は、該渦巻状の流路とその他の複数の渦巻状の
流路との間に、該渦巻状の流路から排出する冷媒を、該
その他の複数の渦巻状の流路にそれぞれ分流する流路を
具備したことを特徴とする。
【0008】請求項4記載の発明は、半導体素子と、内
部に冷媒が流れる渦巻状の流路を有し、該半導体素子を
冷却するヒートシンクとを有する電力変換装置におい
て、複数の半導体素子と、該半導体素子を冷却する複数
のヒートシンクと、該ヒートシンクを接続し可撓性を有
する導体とを具備したことを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明の第1実施例について図1
〜図4を用いて説明する。図1は本実施例の電力変換装
置におけるヒートシンクの正面図、図2は半導体素子の
取付状態を説明する側面図、図3はヒートシンクの内部
構造を、特に流路2を示す図である。
【0010】図1、図2に示すように、ヒートシンク1
の点線部分にGTO3とスナバダイオード4が配置され
る。一方の口出し5から入った冷却水は、流路2を通
り、GTO3、スナバダイオード4を冷却する。GTO
3の取付部分のφDGTO とスナバダイオード4の取付部
分φDDSの2箇所の流路は、往路6と復路7とが交互に
構成され、各半導体素子の取付中心付近に渦巻の中心が
あるように形成される。図3におけるヒートシンクは、
冷却水の流路ブロック8とふた9と口出し5をろ付け等
で組立てられるが、他に熱伝導性に優れた銅などのパイ
プを鋳包む方法で製作することもできる。
【0011】このように、往路6と復路7とが交互に構
成されているため、冷却水の流れは対向流となり熱交換
効率が高く、φDGTO とφDDSのそれぞれの取付部分の
ヒートシンクの温度が平均化され、各半導体素子にとっ
ては、理想的に冷却されることになる。その結果、電流
集中と部分的な温度上昇の悪循環によって素子を破壊す
ることがなくなり、素子の能力を十分活用できる。ま
た、図1に示すlの距離、GTOとスナバダイオードの
中心間距離は、所定の絶縁を満足する最小値で設計す
る。
【0012】従って、GTO3とスナバダイオード4と
の近接配置が可能となり、スナバ回路構造を構築する
際、スナバ回路の低インダクタタンス化を実現すること
ができる。
【0013】図4に、スナバ回路の低インダクタンス化
を実現するヒートシンクを有する電力変換装置を示す。
GTO3、スナバダイオード4は平型素子とし、GTO
3とスナバダイオード4の同電位側をヒートシンク1に
近接して取付ける。スナバダイオード4の一方の接触面
には、薄肉幅広でスナバコンデンサ10までの接続をす
る導体11aを取付け、スナバコンデンサ10からGT
O3の接続も、薄肉幅広導体11b、11cで行い、導
体11aと近接平行導体となるようにする。導体11a
と11b、11cは、絶縁スペーサ12を挟みこみ、ス
ナバダイオード4と一体でスタック13を構成し、スナ
バ回路を構成する。
【0014】次に、本発明の第2実施例について図5〜
図7を用いて説明する。図5は本実施例の電力変換装置
におけるヒートシンクの正面図、図6は半導体素子の取
付状態を説明する側面図、図7はヒートシンクの内部構
造、特に流路2を示す図である。
【0015】図5、図6のヒートシンク1は、点線で示
す部分に1つのGTO3と2つのスナバダイオード4が
配置され、側面では図6に示すように配置される。一方
の口出し5から入った冷却水は、流路2を通り、GTO
3と2つのスナバダイオード4を冷却する。GTO3の
取付部分であるφDGTO と、2つのスナバダイオード4
の取付部分であるφDDSは、往路6と復路7とが交互に
構成され、各半導体素子の取付中心付近に渦巻の中心が
あるように形成される。ヒートシンク1は、第1実施例
と同様に、冷却水の流路ブロック8とふた9と口出し5
をろ付け等で組立てられるが、他に熱伝導性に優れた銅
などのパイプを鋳包む方法で製作することもできる。
【0016】このように、本実施例によれば、GTO取
付面および2つのスナバダイオード取付面の温度を各取
付面で均等化するため、半導体素子の冷却が理想的とな
り、電流集中と部分的な温度上昇の悪循環によって素子
を破壊することがなくなり、素子の能力を十分活用でき
る。また、GTOスナバ回路構造の低インダクタンス化
が実現できるので、GTOが電流遮断時する際に発生す
るサージ電圧を低く抑えることができ、GTOの能力を
十分活用できる。
【0017】次に、本発明の第3実施例について図8を
用いて説明する。図8に、電力変換装置におけるヒート
シンクの流路構造を示す。GTO3とスナバダイオード
4との関係、l1とl2の関係は第2実施例と同様であ
る。第2実施例と異なる点は、2つスナバダイオード取
付部φDDSの流路が、分岐15にて二手に分かれ、並列
流路となっており、スナバダイオード4の渦巻流路が、
GTOの中心を通る軸線に対し、対称の流路となってい
ることである。
【0018】このように、2つのスナバダイオード部の
流路が2並列となっているので、おのおの同一温度の冷
却水で2つのスナバダイオードが冷却される。しかも、
2つのスナバダイオード冷却用の渦巻流路がGTOの中
心を通る軸線に対し対称の並列流路となっているので、
冷却水の流量が均等化される。また、l1とl2の距離
がほぼ同じなため、各スナバダイオードの電流経路もほ
ぼ同一となる。さらに、温度分布もほぼ同じなため、2
並列スナバ回路の各スナバ回路電流の分流は第2実施例
と比較して、より一層、均等化される。
【0019】次に、本発明の第4実施例について図9を
用いて説明する。図9は、流路ブロック8を2つに分割
したものである。流路ブロック8Aと8Bが、ふた9
A、9Bを介して可撓性導体16で接続されている。
【0020】GTOを冷却する箇所とスナバダイオード
を冷却する箇所との間に、可撓部があると次の効果を有
する。図4に示す電力変換装置を用いて説明する。GT
O3を交換する場合、GTOスタックの加圧力を解除す
ることになるが、このときスタックに組み込まれた皿バ
ネの反力で、皿バネより上に積層された部品、例えばヒ
ートシンク1、17,GTO3、スタック用絶縁座18
は、上方向に移動してしまう。すると、スナバコンデン
サ10は碍子19に固定されて動くことができないた
め、強度的に弱い部分、例えばスナバコンデンサ10の
接続端子に曲げモーメントがかかり破損するおそれがあ
る。そのため、スナバ回路の接続導体11a〜11cを
取り外さなければならず、スナバダイオード4をスタッ
ク13から取り外す必要性が生ずる。
【0021】ところが、ヒートシンク1のGTO3とス
ナバダイオード4の取付面の間に可撓部分を設けると、
スナバコンデンサ10の接続端子に曲げモーメントが加
わらないため、端子の破損を抑制することができる。
【0022】従って、前述のような取り外しを必要とし
なくなり、スナバ回路の接続導体を取り外さずにGTO
を交換できることになる。次に、本発明の第5実施例に
ついて図10を用いて説明する。
【0023】図10は、前述の第1実施例、第2実施
例、第3実施例、第4実施例における電力半導体素子の
ヒートシンク1に、スナバダイオード4の加圧用スタッ
ド20を固定または貫通する締結穴21を設けたもので
ある。
【0024】このような構成により、ヒートシンク1の
剛性を利用してスナバダイオード4の加圧機構の押さえ
枠としての役割も果たすことができ、部品点数の削減が
可能となる。
【0025】次に、本発明の第6実施例について図1
1、図12を用いて説明する。図11は、前述の第2実
施例、第3実施例、第4実施例によるヒートシンク1に
おいて、隣合うスナバダイオードの冷却面の間に、スタ
ッド貫通用の貫通穴22を設けたものである。この貫通
穴22を利用して2個のスナバダイオード4の中央に加
圧用スタッド20を通し、他のスタッド20がヒートシ
ンク1の両外側を通るようにしてスナバダイオード4を
加圧できるように構成する。図12は、本実施例を適用
した場合のヒートシンクの内部構造を示すものである。
【0026】このような構成により、ヒートシンクの冷
却に寄与しない部分を大幅に削減し、ヒートシンクの重
量を大幅に低減できる。なお、第1実施例から第6実施
例までにおいて、特に図示していないが、ふた9の長さ
を延長することにより、接続端子を構成することが可能
である。
【0027】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、半導
体素子に付加されるスナバ回路の低インダクタンス化を
実現するヒートシンクを有した電力変換装置を提供する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る第1実施例における電力変換装置
のヒートシンクの正面図。
【図2】本発明に係る第1実施例における電力変換装置
のヒートシンクの側面図。
【図3】本発明に係る第1実施例における電力変換装置
のヒートシンクの内部構造図。
【図4】本発明に係る第1実施例における電力変換装
置。
【図5】本発明に係る第2実施例における電力変換装置
のヒートシンクの正面図。
【図6】本発明に係る第2実施例における電力変換装置
のヒートシンクの側面図。
【図7】本発明に係る第2実施例における電力変換装置
のヒートシンクの内部構造図。
【図8】本発明に係る第3実施例における電力変換装置
のヒートシンクの内部構造図。
【図9】本発明に係る第4実施例における電力変換装置
のヒートシンク。
【図10】本発明に係る第5実施例における電力変換装
置のヒートシンク。
【図11】本発明に係る第6実施例における電力変換装
置のヒートシンク。
【図12】本発明に係る第6実施例における電力変換装
置のヒートシンクの内部構造図。
【図13】従来の電力変換装置のヒートシンク。
【符号の説明】
1 ヒートシンク 2 流路 3 GTO 4 スナバダイオード 5 口出し 6 往路 7 復路 8 流路ブロック 9 ふた 10 スナバコンデンサ 11 導体 12 絶縁スペーサ 13 スタック 15 分岐 16 可撓性導体 17 ヒートシンク 18 スタック用絶縁座 19 碍子 20 加圧用スタッド 21 締結穴 22 貫通穴
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中嶋 亮 東京都府中市東芝町1番地 株式会社東芝 府中工場内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体素子と、内部に冷媒が流れる渦巻状
    の流路を有し、前記半導体素子を冷却するヒートシンク
    とを有する電力変換装置において、 複数の半導体素子と、 前記冷媒を供給する給水流路と前記冷媒を排出する排水
    流路との間に、渦巻状の流路を複数配置した流路を有
    し、前記複数の半導体素子を冷却するヒートシンクとを
    具備したことを特徴とする電力変換装置。
  2. 【請求項2】請求項1記載の電力変換装置において、 前記渦巻状の流路とその他の複数の渦巻状の流路との間
    隔が、それぞれ略同一距離で配置されていることを特徴
    とする電力変換装置。
  3. 【請求項3】請求項1または請求項2記載の電力変換装
    置において、 前記渦巻状の流路とその他の複数の渦巻状の流路との間
    に、 前記渦巻状の流路から排出する冷媒を、前記その他の複
    数の渦巻状の流路にそれぞれ分流する流路を具備したこ
    とを特徴とする電力変換装置。
  4. 【請求項4】半導体素子と、内部に冷媒が流れる渦巻状
    の流路を有し、前記半導体素子を冷却するヒートシンク
    とを有する電力変換装置において、 複数の半導体素子と、 前記半導体素子を冷却する複数のヒートシンクと、 前記ヒートシンクを接続し可撓性を有する導体とを具備
    したことを特徴とする電力変換装置。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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