JPS59141252A - 沸騰冷却式半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は半導体を容器内に収納し冷媒の相変化を利用
して冷却を行う沸騰冷却式半導体装置の構造に関するも
のである。最近Ｇ、　”ｒ、　Ｏ，サイリスタ（Ｇａｔ
ｏ　Ｔｕｒｎ　ｏｆｆ　Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ　）　　の
高耐圧、大電流素子が出現し、半導体装置は従来のサイ
リスタを用いたものから順次Ｇ、　Ｔ、　０．素子に置
き換えられつつある。この発明はＧ、Ｔ、０．素子を冷
却タンク内に収納して冷媒の相変化を利用して冷却する
沸騰冷却形半導体装置に於いて、特に冷却タンクとＧ、
Ｔ。

０、駆動回路ユニットの構成に好適な配置を提供するも
のである。

第１図は、電気車の主電動機の速度制御を行うチョッパ
装置の断面構成図で、従来の構成を示す。

この図に於いて半導体装置（１）は外箱（２）内に半導
体冷却ユニット（３）と半導体と直列又は並列に接続す
るりアクドル等の電気機器（４）を収納している。半導
体冷却ユニット（３）は半導体（６Ａ）と冷却フィン（
６Ｂ）と交互に重ね合せて図示していない締付装置で棒
状に組立てた半導体スタック（６）を内蔵した冷却タン
ク（７）と凝縮器（８）とで構成している。上記冷却タ
ンク（７）と凝縮器（８）は蒸気管（９）および液管α
０とで各々連通している。冷却タンク（７）の内部には
、半導体スタック（６）を浸漬するようにフロン等の凝
縮性冷却媒体（以下冷媒と称する）０υを充填し、冷却
タンク（７）の内部上方および凝縮器（８）の内部空間
には冷媒の蒸気で満たしている。

冷却タンク（７）の壁面にはブッシング（ハ）（ハ）が
設けてあり、ブッシング（財）は主回路用で、ブッシン
グ四はゲート信号用で各々のブッシングを必要個数膜け
である。外箱（２）には仕切板（２Ａ）を設け、この仕
切板（２Ａ）には穴（２Ｂ）が施されており、この穴に
冷却タンク（７）のブッシング（ハ）（ハ）が貫通する
様に構成し、冷却タンク（７）と仕切板（２Ａ）とはガ
スケット（６）で密封しである。第１図の仕切板（２Ａ
）の右側の部分、すなわち外箱（２）の天井板（２Ｃ）
　、底板（２Ｄ）。

仕切板（２Ａ）　、と点検カバー〇東で囲まれた部分は
密閉室（２０１）を形成しており、この密閉室（２０１
）に電気機器（４）や端子台（５）を設置し、半導体冷
却ユニット（３）のブッシング（財）と電気機器（４）
、端子台（５）との相互間を導体（１４Ａ）（１４Ｂ）
で電気的に接続しである。端子台（５）は第１図に示す
半導体装置（１）と外部機器（図示せず）との間の配線
Ｏｖを接続するために設けたものである。

一方、仕切板（２Ａ）の左側の部分は、穴加工された金
属板又は金網で構成された保護カバーｏ１．ση、（ト
）を設け、半導体ユニット（３）の凝縮器（８）の冷却
を行うため空気が流通できるよう開放室（２０２）を形
成している。冷却タンク（７）の左側には半導体（６Ａ
）のためのゲート駆動ユニット０りを配設している。こ
のゲート駆動ユニット員は箱Ｉ２１）の中にゲート駆動
回路板（イ）を収納し、点検カバー（イ）で密閉してい
る。

冷却タンク（７）に内蔵されている半導体（６Ａ）への
ゲート信号配線はブッシング（ハ）を介してゲート駆動
ユニットＯＩよりゲート信号線輪にて接続されている。

次に半導体冷却ユニット（３）の作用について述べる。

半導体（６Ａ）が通電によって発熱すると、冷媒液０１
）が液相から気相に相変化しこの時半導体（６Ａ）より
潜熱を奪う。気相化した冷媒は、密度が小さくなり上昇
して蒸気管（９）を通って凝縮器（８）に流入する。凝
縮器（８）の外部は空気の自然冷却によって２次冷却し
ているため、気相冷媒は潜熱を放出して液相化し密度が
大となり液管００を通って冷却タンク（７）に戻る。以
上の様に冷媒０υは液相と気相の相変換により冷却タン
ク（７）と凝縮器（８）との間を循環し、半導体（６Ａ
）で発生した熱を効率よく凝縮器（８）に熱輸送する。

第２図は電気車の縦断面図を示すもので、車体（７）の
床下に半導体装置（１）が塔載されている図を示す。こ
の図に示すように、車体の側面側に半導体冷却ユニット
（３）を配設し、万一故障した場合に半導体ユニット（
３）を矢印Ａの方向から引出して交換できるようにしで
ある。又、ゲート駆動ユニット萌は車体側面側（矢印Ａ
）に設置されており、ゲート駆動ユニット点検やゲート
電圧、電流の測定が容易にできるよう配慮している。

以上の様に従来の半導体装置は構成されているが次の様
な欠点があった。

１）凝縮器（８）の２次冷却は空気の自然冷却であり高
い冷却性能を得るには空気の流れをよくすることが必要
となる。第１図に示す従来の構造では冷却タンク（７）
の左側にゲート駆動ユニット０Ｉを配置しているため凝
縮器（８）の下方より流入する空気が阻害され良好な対
流が得られず、凝縮能力が低下するという欠点があった
。

２）冷却タンク（７）と凝縮器（８）とを連通する液管
ＯＩは、冷却タンク（７）とゲート駆動ユニットａＩと
の狭い空間に屈曲して配設しているため製作が困難であ
った。

８）半導体として大電力Ｇ、　Ｔ、　０．サイリスタ　
を使用する場合、ゲートパルス電流は、ｄＩ／ｄｔが１
　ＯＡ／μＳ以上の急峻な立上りでピーク電流値が数百
アンペアの電流を流すことが必要となる。ところが従来
の装置ではゲート駆動ユニットと半導体ゲート端子との
配線が長くなるので、大きな配線インダクタンスのため
電流立上りが抑制されるという欠点があった。

４）上記８）項で述べたようにゲートパルス電流はピー
ク値が数百アンペアとなり、このゲートパルスを発生す
るゲート駆動回路板（４）も電力損失により大きな発熱
を伴うが、ゲート駆動回路板（イ）は小さな密閉箱（ロ
）と点検カバー（イ）で収納されているため箱内温度上
昇が大きくなりゲート駆動回路板（イ）を構成している
部品の故障率が高くなり又短寿命となることから信頼性
が低下するという欠点があった。

この発明は上記欠点を改善するためになされたものであ
る。以下、この発明の一実施例を説明する。

第８図はこの発明による半導体装置の構成を示す図であ
る。この図に於いて、第１図と同符号は同一物を示し、
半導体装置（１）は外箱（２）内の密閉室（２０１）内
にリアクトル等の電気機器（４）と端子台（５）を収納
し、開放室（２０２）には半導体冷却ユニット（３）を
収納している。開放室（２０２）は、穴明金属板又は金
網製の保護カバーＧ・、αη、［相］により外箱（２）
の外部より空気の流出入を容易にできる構造としている
。開放室（２０２）に設置した半導体冷却二ニット（３
）のブッシング■、に）は、仕切り板（２Ａ）を貫通し
て密閉室（２０１）に突出して構成する。半導体（６Ａ
）のためのゲート駆動ユニット（イ）は上方が開放した
箱（５１）の中に、ゲート駆動回路板φのを収納して構
成し、半導体冷却ユニット（３）の下方に配設する。

ゲート駆動ユニット（５０）の箱φ１）は、第８図の左
端にパネル部（５１Ａ）を設け、このパネル部（５１Ａ
）の周囲を外箱（２）および冷却タンク（７）の壁面に
ガスケット（財）を介して当接する。

一方、仕切板（２Ａ）の穴（２Ｂ）の上方および左右（
図示せず）は、冷却タンク（７）とガスケット（２）を
介して当接する。従って、密閉室（２０１）は外箱の天
井板（２）、仕切り板（２Ａ）　、底板（２Ｄ）と点検
カバー〇と冷却タンク（７）およびゲート駆動ユニット
φΦのパネル部（５１Ａ）で構成され、各々の当接部分
にはガスケット（財）、（６）、　（１８Ａ）で密閉さ
れる。

冷却タンク（７）に内蔵した半導体（６Ａ）のゲート信
号配線はブッシング（ハ）を介してゲート信号線に）で
ゲート駆動ユニット■に配線される。ゲート駆動ユニッ
ト輔を点検する場合はパネル（５１Ａ）の１部に点検カ
バー（５１Ｂ）を設け、この点検カバー（５１Ｂ）を取
外すことによって点検が可能となる。又、必要に応じて
パネル（５１Ａ）に端子を設けてゲート電圧、電流を測
定することも可能である。更に他の方法はゲート駆動ユ
ニットを左方向に一点鎖線の如く引出せば、箱（５１）
の上方が開放されていることより上方からの点検や電圧
、電流の測定がより容易に行える。

尚、ゲート駆動ユニットに）の出し入れを容易に出来る
よう外箱（２）の下部にガイドレール（２Ｅ）を設けで
ある。

以上の様に構成したこの発明の半導体装置では次の様な
特長を有する。

１）ゲート駆動ユニット（へ）が冷却タンク（７）の下
部に配設されているため保護カバーσ′ｆ）（ト）より
凝縮器（８）の下部に流入する空気（矢印で示す）を阻
害することがなくなり、空気の対流が良好に行なわれ凝
縮器の冷却能力が向上する。

２）ゲート駆動ユニット■より半導体（６Ａ）へのゲー
ト信号線＠の長さが短かく出来るので、配線インダクタ
ンスが小さくなりゲートパルス電流の立上りが急峻とな
り半導体装置のより高速化、より高周波化が可能となる
。

８）ゲート駆動ユニット（イ）は上方が開口した箱（５
１）の内部にゲート駆動回路板（５）が収納されており
、箱φ１）の上方の開口部は密閉室（２０１）と連通し
ている。従って、大電力Ｇ、　Ｔ、　Ｏサイリスタを’
ＩＪｆｌｌするゲート駆動回路板の如く、発熱の大きい
ものでもゲート駆動ユニット（イ）と密閉室（２０１）
の空気が対流によって温度が均一化すると共に密閉室を
構成している外箱の壁面の広い面積より熱放射を行うの
で、ゲート駆動回路板φのの温度上昇が低減する。従っ
て、ゲート駆動回路板を構成している部品の故障率が低
くなり又寿命も長くなることから信頼性が向上する。

４）冷却タンク（７）と凝縮器（８）とを連通する液管
α０は障害物がないため液管の形状に自由度が増し又液
管０１と凝縮器（８）および液管ａ１と冷却タンク（７
）との溶接が容易となることから気密溶接に対する溶接
品質が向上しリークに対する信頼性が向上する等の特長
がある。

尚、ブッシングよりゲート駆動ユニット（イ）へ配線す
るゲート信号線の接続部は必要に応じてコネクタを用い
ゲート駆動ユニット（５０）に対してゲート信号線へ着
脱を容易にする事も考えられる。又、ゲート駆動ユニッ
ト（５０）は上方が開口し密閉室（２０１）と連通して
いるが、点検カバー（至）を開口し保守点検を行う際、
万−工具等の落下によってゲート駆動回路板（５２）を
破損させる恐れがあるためゲート駆動ユニットの上方に
穴明金属板や全網製等の空気流通口を有した保護カバー
（財）を設ける事も考えられる。

以上の様に、この発明によれば、半導体冷却ユニットの
下方にゲート駆動ユニットを配置することによって、冷
却性能の向上、ゲート駆動部と半導体間のゲート信号線
を短かくし半導体装置の高速運転が可能となる等数々の
効果を奏し、極めて実用性の高いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体装置の構成を示す縦断面図、第２
図は電気車に半導体装置を塔載した場合の構成を示す縦
断面図、第８図はこの発明による一実施例である半導体
装置の構成を示す縦断面図である。 なお、図中同一符号は同一もしくは相当部分を示す。 図中、（１）は半導体装置、（２）は外箱、（２Ａ）は
仕切板、（２Ｂ）は穴、（２Ｃ）は天井板、（２Ｄ）は
底板、（２Ｅ）はガイドレール、（２０１）は密閉室、
（２０２）は開放室、（３）は半導体冷却ユニット、（
４）は電気機器、（５）は端子台、（６Ａ）は半導体、
（６Ｂ）は冷却フィン、（６）は半導体スタック、（７
）は冷却タンク、（８）は凝縮器、（９）は蒸気管、０
０は液管、（１４Ａ）（１４Ｂ）は導体、（ｌりはゲー
ト駆動ユニット、に）はゲートは号線、（ハ）（ハ）は
ブッシング、（５０）はゲート駆動ユニット、（５１）
は箱、（５）はゲート駆動回路板である。 代理人　　　葛　　野　　信　　− く ；１ ９ ｑ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）半導体装置の外箱を密閉室と開放室に区分し前記密
   閉室内に電気機器、端子台、配線用導体等を配設し、前
   記開放室に半導体が内蔵された冷却タンクと凝縮器から
   成る半導体冷却ユニットを配設し、前記冷却タンクの壁
   面に設けたブッシングが前記密閉室内に突出して構成さ
   れた沸騰冷却式半導体装置において、半導体のゲート駆
   動ユニットを前記半導体冷却ユニットの下方位置の前記
   密閉室内に配置し、該ゲート駆動ユニットの内部と前記
   密閉室内部の空気の流通が可能なように該ゲート駆動ユ
   ニットの上方が開口され、且つ該ゲート駆動ユニットが
   前記開放室側に引出し可能とした事を特徴とする沸騰冷
   却式半導体装置。 ２）ゲート駆動ユニット上方の開口部には空気流通口を
   有した保護カバーが設けられている事を特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の沸騰冷却式半導体装置。