JPS624734B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、低電圧大電流の安定化直流
（DC）電力を供給するためのスイツチング安定化
電源装置に関し、特に主要な発熱部品が冷却板上
に載置され、該冷却板が液冷熱交換器によつて冷
却されると共に、この電源装置の出力母線でもあ
るような電源装置に関する。

大電流で正確に安定化されたDC電圧の電力を
供給するためのスイツチング安定化電源装置は公
知である。その様な電源装置の典型的な例は1971
年４月６日に発行された米国特許第3573597号に
記載されている。該特許に記載されている様な電
力供給装置の構成部品、特にほとんどの熱を発生
する、即ち熱源である部品を載置した、基板、ヒ
ートシンク又は冷却板を冷却するために、液状冷
却材がその中を循環する熱交換器を用いることも
公知である。この様な熱交換器については1977年
２月22日発行の米国特許第4009423号に記載され
ている。該特許における冷却板は、相互に電気的
に接続され、電源の出力母線の１つとして用いら
れている。

大型デジタル計算機の様な大規模の固体電子装
置の電源は、安定化電力即ち適当な電圧及び電流
の電力を要求される。その様な装置の多くの要求
する電圧は比較的低く、1.5乃至12ボルトであ
り、一方電流の大きさは大きく、例えば750乃至
2000アンペアである。

電源装置の設計においては、電源装置の単位体
積当りの安定化供給電力のワツト数の比と、電源
装置の価格当りの供給ワツト数の比を同様に最大
にすることが要求される。これらの比を制限する
因子の１つは、電源の部品の最大動作温度であ
り、特に逆阻止３端子サイリスタ（以下単にサイ
リスタと称する）の接合部温度はその高周波特性
を良好に維持するには約100℃に制限される。電
力用ダイオードの接合部温度は最大約125℃に制
限される。スイツチング安定化電源の発熱部品を
載置した冷却板を冷却するために液冷熱交換器を
用いることは、その様な電源装置の体積を最小に
保つたまゝで、その様な部品の最大動作温度を許
容可能な最大値以下に維持するために、その様な
部品によつて発生される熱を発散させる能力を著
しく向上させる。しかし、装置の体積当りのワツ
ト数の比を著しく向上させようとする追加的企画
は、部品のレーテイング（rating）特にサイリス
タの最大電圧レーテイングによつて妨げられた。
更に、この様な大型の電源においては、各２次巻
線の巻数の減少による２次巻線のインダクタンス
の減少は、所与の電源の出力電力の増大に欠くこ
とのできない、前記２次巻線を通る電流の比例的
増大をもたらさなかつた。

出力電圧が１乃至５ボルトの範囲であつて、特
に750乃至2000アンペアの範囲の大電流の大型ス
イツチング安定化電源において、この種の電源の
出力電力を増大させることは、２次巻線の寄生イ
ンダクタンスにほぼ等しい２次回路の寄生インダ
クタンスによつて制限されており、この寄生イン
ダクタンスは大部分、従来の電源装置における正
負の電力母線間のインダクタンスによつているこ
とがわかつた。リアクタの２次コイルに接続され
た出力母線への配線のインダクタンスも寄生イン
ダクタンスの大きさに寄与している。他の制限因
子は、サイリスタの接合部温度を約100℃以下に
維持する必要と、サイリスタの順方向電圧を約
600ボルトの最大電圧レーテイング以下に維持す
る必要があることである。

従来の液冷スイツチング安定化電源装置におい
ては、サイリスタは冷却板の上面に載置された
が、その両端に高電圧を印加するため、それらは
冷却板から電気的に絶縁される必要があつた。そ
の結果、サイリスタと熱交換器との間の熱抵抗
は、付加的電気的絶縁層の存在のため冷却板に直
接載置された電力用ダイオードと熱交換器との間
の熱抵抗より大きい。従つて、サイリスタの接合
部温度は電力用ダイオードの接合部温度より約25
℃低く維持されねばならないにもかゝわらず、冷
却板に直接載置された電力用ダイオードと冷却板
との間の熱抵抗の方が、サイリスタの方の熱経路
の熱抵抗より小さい。サイリスタとそれらが載置
された冷却板との間の小さな物理的間隔が、又そ
の間に小さいが有限の容量を生じ、その容量がそ
の電源装置の出力に生じる電気的雑音の大きさに
寄与する。寄生インダクタンスの両端に誘導され
る電圧間の正帰還の関係がサイリスタの両端と電
源モジユールの１次回路の整流容量の順方向電圧
を著しく増大させ、その結果、これらの部品の電
圧レーテイングは高い必要があり、より高価な部
品を必要とし、又は出力電力を減小させる必要を
生じ、これらはいずれもワツト／価格比及びワツ
ト／装置単位体積比に対して反対するものであ
る。

本発明は、電源装置の寄生インダクタンスを著
しく減少し、特に正負の出力母線間のそれを最小
にすること、及びその様な電源装置のサイリスタ
と熱交換器との間に抵い熱抵抗であつて、サイリ
スタと電源の出力母線との間の容量結合をも減少
させる経路を与えることによつて、液冷スイツチ
ング安定化DC電源の出力電力の増大を防げる問
題を解決する。

本発明の電源の各電源モジユールは、１次巻線
と２次巻線を夫々有する一対のリアクタを有す
る。各リアクタの１次巻線には１つのサイリスタ
が直列に接続され、２次巻線には、１つの電力用
ダイオードが直列に接続される。モジユールの主
な発熱部品は一対の冷却板上に載置され、該冷却
板は、冷却板の間に設置された液冷熱交換器によ
つて冷却される。冷却板と熱交換器は相互に結合
装置によつて保持されるが、各冷却板と熱交換器
は相互に電気的に絶縁されている。冷却板は又、
電源装置の入力及び出力母線であり、それらの間
の寄生インダクタンスを最小にし、この様な電源
装置の従来の入出力母線における寄生インダクタ
ンスの大きさに比較して実質的に小さくする。リ
アクタは冷却板の周辺に載置され、該リアクタの
２次巻線を出力母線に接続する配線は、熱交換器
の縁部上にかぶさつている即ち延在している冷却
板の、部品が載置されている部分を通る必要な所
の開口を通して本質的に直線状になり、電源装置
の寄生インダクタンスを更に減少することの可能
な限り短くなつている。

各モジユールのサイリスタは冷却板の１つのセ
グメント上に直接載置されており、該セグメント
はモジユールの部品が載置されている冷却板の残
りの部分から電気的に絶縁されている。これによ
つてサイリスタのより良い冷却が実現され、サイ
リスタと、モジユールの他の発熱部品が載置され
ており、電源の出力母線でもある冷却板の部分と
の間の容量が減少する。

従つて、本発明の目的は、寄生インダクタンス
が最小である改良された液冷スイツチング安定化
DC電源装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、一対の冷却板を有し、そ
の上に電源装置の部品が該冷却板間の液冷熱交換
器と共に載置されており、該冷却板が電源の出力
母線として用いられる改良されたスイツチング安
定化電源装置を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、サイリスタ用の冷却
経路が低い熱抵抗を有し、サイリスタと電源出力
母線との間の容量が減少されたスイツチング安定
化電源装置を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、装置の単位体積当り
のワツト数と、価格当りのワツト数の比を最大に
する改良された液冷スイツチング安定化DC電源
装置を提供することにある。

次下図面を参照して好適な実施例について本発
明を更に詳細に説明する。

第１図において、本発明の理解に適する、スイ
ツチング安定化DC電源１０の部分の回路図が示
されている。制御信号源１２、スイツチング安定
化電源１０の動作及び該電源の出力フイルタ部分
の詳細な説明は、1971年４月６日発行の米国特許
第3573597号を参照されたい。好適な実施例にお
いて、電源装置１０は複数の１４−１乃至１４−
８と表わされた８個の電源モジユールを有する。
第１図には１４−１及び１４−２の２個の電源モ
ジユールのみが図示されている。電源装置１０の
他の全ての電源モジユール１４はこのモジユール
１４−１及び１４−２とほぼ同様である。

好適な実施例の説明に用いる参照番号の数を最
少限にするために、例えばリアクタ１６及び１７
のように表わされた各電源モジユールの部品は特
別の参照番号を与えられる。例えば１４−２のよ
うな与えられた電源モジユールのリアクタ１６及
び１７に与えられる特別の参照番号は１６−２及
び１７−２の如くである。同様にして各モジユー
ル内に部品も表示される。

各リアクタ１６は１次巻線即ちコイル１９を有
し、各リアクタ１７は１次巻線２０を有する。好
適な実施例において各リアクタ１６は一対の２次
巻線２２，２３を有し、各リアクタ１７は一対の
２次巻線２５，２６を有する。各電源モジユール
１４は一対の整流容量２８，２９を有し、これら
は非安定化DC電力源の両端に直列に接続されて
いる。リアクタ１６，１７の１次巻線１９，２０
を通しての整流容量２８，２９内に著積された電
荷の放電は、サイリスタ即ち電流スイツチ３１及
び３２によつて、制御信号源１２により発生さ
れ、それらの制御ゲートに与えられた制御信号に
応して制御される。電力用ダイオード３４，３
５，３６及び３７は夫々リアクタ１６，１７の２
次巻線２２，２３，２５及び２６に直列に接続さ
れている。第１図に見られるように、電力用ダイ
オード３４，３５，３６及び３７のアノードは負
出力母線兼冷却板４０に直接接続され、カソード
は夫々の２次巻線を介して正出力母線兼冷却板４
２に接続される。各リアクタの２次巻線の数は、
各２次巻線と直列接続された電力用ダイオードの
電流容量により決定される。入力端子４４，４５
は通常の非安定化DC電力源（図示せず）に接続
されるようになつているが、該非安定化DC電力
源は実施例においては約280ボルトの直流を供給
する。

第２図において、電源モジユール１４−１，１
４−３，１４−５及び１４−７、即ち奇数番号モ
ジユールの主な発熱部品即ちリアクタ１６，１
７、サイリスタ３１，３２及び電力用ダイオード
３４，３５，３６及び３７が冷却板４０上に載置
されているのが図示されている。電源モジユール
１４−１，１４−３，１４−５，１４−７の各２
次巻線２２，２３，２５及び２６の端子の１つは
第２図には図示されていない正出力母線４２に接
続されている。２次巻線を母線４２へ接続する配
線の寄生インダクタンスを最小にするために、開
口４７，４８，４９及び５０が所与の電源モジユ
ールの部品が載置された冷却板に形成されてお
り、これが前記配線の長さを最小にしている。電
力用ダイオード３４−１，３５−１，３６−１及
び３７−１は電源１０の負出力母線でもある冷却
板４０上に直接載置されており、これらのダイオ
ードのアノードは寄生インダクタンスを最小にす
るためにそれらのハウジングに直接接続されてい
る。

同様に、電力用ダイオード３４−２，３５−
２，３６−２及び３７−２は電源１０の正出力母
線、冷却板４２に直接載置され、これらのダイオ
ードのカソードは再び寄生インダクタンスを最小
にするためにそれらのハウジングに直接接続され
ている。好適な実施例において冷却板４０に載置
された奇数番号の各電源モジユールのリアクタ１
６，１７は、第２図に見られる様に、板４０の周
辺部に位置しており、奇数番号モジユール用の穴
４７，４８，４９，５０が、第３図に見られる様
に冷却板４０と４２との間に置かれた熱交換器５
２の外縁部上にせり出した即ち延在する板４０の
部分に形成されている。奇数番号のモジユールの
電力用ダイオード３４乃至３７のカソードを接続
し、各電源モジユールの開口４７，４８，４９，
５０を通り、２次巻線２２，２３，２５，２６を
通して冷却板４２へ延在する配線は、冷却板４０
と短絡しないように電気的に絶縁されている。こ
れらの配線は第３図に見られるように例えばセツ
トねじ５１によつて直接冷却板４２へ接続され
る。

第３図において、冷却板４０，４２が液冷熱交
換器５２の両側に位置していることがわかる。熱
交換器５２の詳細な構成及び機能な1977年２月22
日発行の米国特許第4009423号に記載されてい
る。実施例において、冷却板４２上に載置される
ものは、４つの偶数番号の電源モジユール１４−
２，１４−４，１４−６及び１４−８の部品であ
り、第１図に図示されるように電源モジユール１
４−２は１４−１のほぼ反対側に位置する。実施
例では0.05mm（0.002インチ）厚のマイラであ
る、絶縁材の薄い層５４が熱交換器５２を出力母
線４０，４２から電気的に絶縁するために熱交換
器５２の薄い柔軟な壁と冷却板４０，４２との間
に置かれる。冷却板即ち母線４０，４２はそれら
の間に熱交換器５２をはさんで相互に通常のボル
ト５０及びナツト５８によつてねじ止めされてい
る。該ボルト、ナツトの１つは第４図に示されて
いる。各ボルト５６は絶縁材の円筒６０で囲ま
れ、各ボルト５６の頭部と各ナツト５８は第４図
に示されるように絶縁ワツシヤ６２によつて冷却
板４０，４２から電気的に絶縁される。

第３図において、電源モジユール１４−３の整
流容量２８−３が示される。それはブラケツト６
４によつて保持されている。各ブラケツト６４の
上に載置されているものは、その内の２個が第２
図に見られるが、サイリスタを信号源１２により
供給された制御信号に応じて導通させるために各
電源モジユールのサイリスタ３１及び３２のゲー
トに制御即ち点弧パルスを与えるのに用いる４つ
のパルストランスフオーマ６６である。

第６図を参照すると、従来のスイツチング電流
安定化装置の電源出力母線の構成が図示されてい
る。スイツチング安定化電源の電源モジユールの
部品が載置される２枚の冷却板の内の１枚68のみ
が示されており、この冷却板は好適には液冷熱交
換器によつて冷却される。この様な電源の冷却板
６８は電源の正又は負の２つの出力母線の内の１
つとして用いられる。より小形の母線７０が冷却
板６８上に載置された図示されない部品とぶつか
らないように冷却板６８上に約５cm（２インチ）
の距離をおいて設けられている。

第７図は本発明の２枚の冷却板４０，４２の間
の関係を示しており、好適には1.27cm（0.5イン
チ）厚のアルミニウム板であり、25.4cm（10イン
チ）角で相互に約1.27cm（0.5インチ）離間され
ている。計算によれば、板４０と４２との間のイ
ンダクタンスは第６図の従来の構成のほぼ８分の
１である。

第１図において、サイリスタ３１，３２及びリ
アクタ１６，１７の１次巻線の両端に初めに与え
られる電圧は、実施例では、端子４４，４５の両
端の280ボルトDC電圧と等しいことがわかる。ス
イツチング安定化装置１０の電源出力は１乃至５
ボルトの範囲である。電源１０が作動すると、各
整流容量２８，２９の両端電圧は端子４４，４５
間の供給電圧まで上昇する。供給電圧には、２次
巻線のインダクタンス及び寄生インダクタンス等
の２次回路におけるインダクタンスに誘導された
電圧正帰還による電圧が加わる。その結果、各電
源モジユールのリアクタ１６，１７の１次回路内
のサイリスタ３１，３２及び整流容量の両端に加
わる電圧は、最大450乃至550ボルトDCの範囲に
達し、この電圧はサイリスタが電源１０の動作に
悪影響なしに扱い得る最大電圧である。２次回路
の全インダクタンスの一部を成す２次回路内の寄
生インダクタンスを著しく減少することは電源モ
ジユールのリアクタの１次回路内の最大電圧を減
少させる。

サイリスタ３１，３２を十分に冷却するために
は、各サイリスタ３１，３２と熱交換器５２との
間の熱抵抗を最小にするために、サイリスタ３
１，３２はヒートシンク又は冷却板上に直接載置
されることが望ましい。サイリスタ３１，３２に
は高電圧が加わるので、サイリスタは載置される
冷却板即ち出力電源母線から電気的に絶縁される
必要がある。熱抵抗を最小にするため、各サイリ
スタ３１，３２は冷却板内に形成された開口７４
内に位置するセグメント７２上に載置される。各
セグメント７２は実施例においてはエポキシ混合
物である絶縁材のリング７６によつて冷却板４
０，４２の残りの部分から電気的に絶縁されてい
る。リング７６は、必要な電気的絶縁を与えると
同時に、開口７４内の所定位置にセグメント７２
を保持する。各セグメント７２と付近の出力母線
４０，４２との間の距離及び、セグメント７２と
開口７４の形は、それらの容量を最小にするため
に最適化されている。この構成によつて、従来の
形式によるサイリスタの冷却板への載置に比較し
て、各サイリスタと実際的大きさの出力母線との
間の容量が減少し得た。従つて、各サイリスタ３
１，３２のために、その関連する冷却板４０又は
４２から電気的絶縁リング７６によつて離間さ
れ、熱交換器５２から絶縁層５４のみによつて離
間された個別的セグメント７２を用いることによ
つて、サイリスタ３１，３２と熱交換器５２との
間に最小の熱抵抗を有する熱経路が実現され、そ
れによつてサイリスタは、その最大接合部温度が
最大限である約100℃を越えることなくその最大
電力レベルで動作可能となる。

電源装置の出力母線として冷却板を用い、出力
母線とリアクタの出力巻線との間のリード線を短
縮することによる夫々の寄生インダクタンスの減
少により、電源装置の寄生インダクタンスが著し
く減少し、これによつて該インダクタンス内に蓄
積される電磁エネルギーが減少し、電源モジユー
ルのリアクタの１次回路内のサイリスタと整流容
量の両端に追加される電圧が減少し、従つて例え
ばサイリスタの両端に加わる最大電圧が、もし高
い寄生インダクタンスがあつた場合よりも低くな
り、他の変数が同一のまゝでサイリスタの許容限
界より以下となる。更に、特に出力母線４０，４
２間の寄生インダクタンスの減少は、出力母線間
の容量の関連的増加を生じる。これは、該２つの
母線間の電圧変動の大きさを減少する有利な効果
を有し、従つて電源の出力電圧のフイルタとな
り、正確な安定化DC出力電圧を生ずる電源を最
小の部品で構成させ得る。

冷却板が部品の冷却と電源の出力母線として用
いられるスイツチング安定化電源の効率を高める
ことは重要である。電源装置の寄生インダクタン
スが、出力母線へ接続される、リアクタの２次巻
線の配線の長さを短縮することによつて更に減少
された。１次回路内のサイリスタの冷却が、該サ
イリスタが載置され冷却板から絶縁された個別的
セグメントを用いることにより強化された。この
構成はサイリスタと出力母線との間の容量を、１
次回路と２次回路との間の容量性結合の大きさを
減少させるのと同じ位実質的に減少させた。結果
として、より効率的な電源が実現された。１つに
は装置の単位体積当りのワツト数が従来のスイツ
チング安定化電源に比較して実質的に150％向上
し、同時に価格当りのワツト数も向上した。

【図面の簡単な説明】

第１図は、リアクタの２次巻線が電源装置の出
力母線に接続されている形式の一対の電源モジユ
ールの配線図、第２図は、本発明によるスイツチ
ング安定化装置の側面図、第３図は、第２図の線
３−３に沿つた断面図、第４図は、第２図の線４
−４に沿つた断面図、第５図は、第２図の線５−
５に沿つた断面図、第６図は、従来のスイツチン
グ安定化電源装置の出力母線の構成を示す図、第
７図は、本発明による出力母線の構成を示す図。 １０：電源装置、１２：制御装置、１４：電源
モジユール、１６，１７：リアクタ、３１，３
２：サイリスタ、３４，３５，３６，３７：電力
用ダイオード、２８，２９：整流容量、４０，４
２：出力母線兼冷却板、１９，２０：１次巻線、
２２，２３，２４，２５：２次巻線、４４，４
５：入力端子、４７，４８，４９，５０：開口、
７２：セグメント、５２：熱交換器、５４：絶縁
層、７４：開口、７６：絶縁リング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 変圧器と、半導体電流スイツチと、１つの電
   極が前記変圧器の２次巻線の１端に直列に接続さ
   れているダイオードとを夫々含む少なくとも２個
   の電力モジユールを有する液冷スイツチング安定
   化電源装置において、 並行かつ相互に離間して配置され、前記各モジ
   ユールの変圧器、電流スイツチ及びダイオードが
   載置されて夫々熱交換関係にある、第１と第２の
   冷却板と、 前記冷却板を冷却するために前記冷却板の間に
   配置された液冷熱交換器と、 前記各冷却板の表面と、それに隣接する前記熱
   交換器の表面との間に配置された電気的絶縁層
   と、 を含み、 前記ダイオードの夫々の他の電極が前記冷却板
   の各々に接続されており、 前記２次巻線の夫々の他端が、前記関連するダ
   イオードが接続されている方ではない方の冷却板
   に接続されており、 それによつて、前記冷却板が前記電源装置の正
   負の電気的母線を夫々構成することを特徴とする
   冷却装置を有する液冷スイツチング安定化電源装
   置。