JPWO2008142759A1 - アーク放電装置 - Google Patents

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Abstract

アーク放電装置に備えられた小型軽量の電力用半導体モジュール内により多くの半導体素子を内蔵する。アーク放電装置の電源装置が、半導体モジュール１及び半導体モジュール１に取り付けられる放熱器からなる。半導体モジュール１は、モジュール筐体２と、モジュール筐体２によって保持される共通ユニット３ａ〜３ｃからなる。共通ユニット３ａ〜３ｃは、半導体素子５４が配設された回路面及びその反対側の放熱面を有するセラミック基板５０と、上記放熱面を露出させ回路面を耐熱性樹脂によって封止するパッケージ３５とを有する。放電器は、モジュール筐体２に取り付けられることにより、共通ユニット３ａ〜３ｃの全ての放熱面に当接する。この様な構成により、小型軽量の電力用半導体モジュール内に多くの半導体素子を内蔵することができる。

Description

本発明は、アーク放電装置に係り、更に詳しくは、コンバータ、インバータなどの電力変換装置に使用される半導体モジュールが適用されたアーク放電装置に関する。
電力変換装置に使用される半導体素子を樹脂で封止してモジュール化した装置が、半導体モジュールとして知られている。この種の半導体モジュールは、セラミック基板のチップ配置面が樹脂で封止されるとともに、上記セラミック基板の裏面から放熱を行っている。このため、セラミック基板と樹脂との熱膨張率の差に起因して、樹脂の成型収縮や、稼働時の熱サイクルによって基板の反りが発生すると、放熱効率の低下や、半導体チップの剥離の原因となる。
このため、一般的な半導体モジュールでは、半導体チップを含むチップ部品が半田付けされたセラミック基板が、銅Ｃｕや鉄Ｆｅなどの厚い金属板上にヒートスプレッダーや絶縁シートを介して接着されている。また、上記セラミック基板のチップ搭載面を囲うケースが取り付けられ、当該ケース内にシリコンゲルなどを注入してチップ部品を保護した後、更に樹脂が充填されている。
しかしながら、チップ部品を保護するためにシリコンゲルを用いた場合、ケースの隙間などから入り込む湿気がチップ部品に悪影響を及ぼすことがある。また、チップ部品間の電気的な接続は、ワイヤボンディングや、リードフレームの半田付けや超音波接合によって行われているが、この接合部が熱などによって劣化した場合、保護材としてシリコンゲルを用いていると、ワイヤやリードフレームなどを確実に固定しておくことは困難であった。
そこで、シリコンゲルなどの保護材を用いることなく、セラミック基板のチップ搭載面に直接樹脂を充填する半導体モジュールも提案されている（例えば、特許文献１）。特許文献１には、金属板上にセラミック基板を接合してモジュール基板を形成し、このモジュール基板上に半導体チップを実装した後、外囲ケース、フレーム体及びモジュール基板で囲まれた空間に樹脂を注入している。この外囲ケースが十分な剛性を有すれば、封止樹脂を硬化させる際の成型収縮による応力をモジュール基板及びフレーム体に分散させ、モジュール基板の反りを防止し、耐温度サイクル性を向上させることができる。
特開平９−２３７８６９号公報
従来の半導体モジュールは、１つの半導体モジュール内に多くの半導体素子を封入することができず、ユーザ自身が複数の半導体モジュールを接続することによって、所望の電力変換装置を実現している。例えば、ダイオード及びサイリスタの直列回路からなる半導体モジュールを３個使用することによって、三相交流ブリッジを実現している。このため、ユーザは、複数の半導体モジュールを保管し、持ち運ばなければならず、その取り扱いが煩雑であった。また、複数の半導体モジュールにより構成されるため、電力変換装置の小型化及び軽量化には限界があった。そこで、同一のセラミック基板上に、より多くの半導体素子を配設することにより、電力変換装置を小型化、軽量化することが考えられる。
しかしながら、この様な半導体モジュールを実現しようとすれば、セラミック基板が大型化し、また、それに伴って大量の樹脂を封入する必要がある。このため、セラミック基板の反りがより顕著となり、放熱効率が著しく低下してしまうという問題が発生する。また、セラミック基板の大型化によって、セラミック基板のチップ配置面内における温度差も顕著になるという問題が発生する。さらに、大量の樹脂を封入することによって、半導体モジュール全体の重量が増大するという問題が発生する。このため、半導体モジュールを用いた電力変換装置の小型化、軽量化は容易ではなかった。
また、半導体モジュールは、セラミック基板を金属板に接着することによって、セラミック基板の反りを防止し、良好な放熱特性を確保している。しかしながら、セラミック基板の反りを防止するためには、厚い金属板を使用する必要があるため、半導体モジュールの総重量に占める金属板の割合が大きく、半導体モジュールを軽量化することは容易ではなかった。
さらに、交流電源用の半導体モジュールには、単相用から三相用まであり、それぞれの用途に応じて別々の半導体モジュールを生産するとすれば、品質及び完成品の管理を個別に行う必要があり、製造コストを増大させてしまうという問題があった。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、従来の電力用半導体モジュールに比べ、より多くの半導体素子を内蔵する小型軽量の電力用半導体モジュールが適用されたアーク放電装置を提供することを目的とする。また、電力変換装置の小型化、軽量化を実現するための電力用半導体モジュールが適用されたアーク放電装置を提供することを目的とする。また、このような電力用半導体モジュールが適用されたアーク放電装置を安価に提供することを目的とする。
第１の本発明によるアーク放電装置は、アーク放電のために供給される交流電源の周波数を可変変換する電源装置を備えたアーク放電装置であって、上記電源装置が、電力用半導体モジュール及び上記電力用半導体モジュールに取り付けられる放熱器を備え、上記電力用半導体モジュールが、モジュール筐体と、上記モジュール筐体によって保持される２以上の共通ユニットとを備え、上記共通ユニットが、半導体素子が配設された回路面及び上記回路面に対向する放熱面を有するセラミック基板と、上記放熱面を露出させるとともに上記回路面を耐熱性樹脂により封止して形成されるパッケージとを有し、上記放電器が、上記モジュール筐体に取り付けられることにより、上記２以上の共通ユニットの全ての上記放熱面に当接するように構成される。
この様にして、電力用半導体モジュールを複数の共通ユニットに分割すれば、電力用半導体モジュール内において使用されるセラミック基板を小型化し、また、電力用半導体モジュール内において使用される封止樹脂の量を大幅に低減することができる。従って、各半導体素子について良好な放熱経路を確保しつつ、小型軽量の電力用半導体モジュール内に、より多くの半導体素子を内蔵することが可能となる。
また、樹脂封止による放熱効果が、各共通ユニットについてほぼ均一に得られるため、熱の影響によって一部の半導体素子のみが顕著に劣化することがなく、電力用半導体モジュール全体の信頼性を向上させることができる。また、一部の半導体素子が劣化した場合であっても、共通ユニットごとに交換することができ、予備として電力用半導体モジュール全体を保管しておく必要がない。
さらに、モジュール筐体に対して放熱器を取り付ければよく、複数の共通ユニットそれぞれについて放熱器を取り付ける場合に比べて、放熱器の着脱作業が容易となる。
本発明によれば、小型軽量の電力用半導体モジュール内に、従来の電力用半導体モジュールに比べてより多くの半導体素子を内蔵することができる。従って、本発明による電力用半導体モジュールを用いれば、アーク放電装置の電力変換装置を小型化、軽量化することができる。また、電力用半導体モジュール内に複数の共通ユニットを内蔵することにより、安価に提供することができる。このように構成された電力用半導体モジュールは、熱サイクルが頻繁に繰り返されて温度が変化することにより電力用半導体モジュールの劣化が懸念されるアーク放電装置に用いると、その効果が顕著である。
図１及び図２は、本発明の実施の形態による半導体モジュール１の一構成例を示した外観図であり、図１には上面、図２には下面が示されている。また、図３は、半導体モジュール１の組み立て時における様子を示した展開斜視図である。
この半導体モジュール１は、サイリスタ、ダイオード、バイポーラトランジスタなどの半導体素子を用いて、交流電力及び直流電力の変換を行うための電力用半導体モジュールである。本実施の形態では、このような電力用半導体モジュールの一例として、３個のサイリスタ及び３個のダイオードを用いてブリッジ回路を実現するためのモジュールについて説明する。この様なブリッジ回路は、三相交流電源を全波整流して直流電源に変換する三相交流変換器に広く用いられている。
半導体モジュール１は、モジュール筐体２内に、３個の共通ユニット３（３ａ〜３ｃ）と、２個の金属板４（４ｍ及び４ｎ）とを収容して構成される。共通ユニット３は、いずれもサイリスタ及びダイオードの直列回路を内蔵する同一の構成のユニットであり、互いに入れ替えて使用することができる。なお、本明細書では、３個の共通ユニットの互いに対応する構成部分については共通の符号を付すとともに、特定の共通ユニットの構成部分を指す場合には、上記符号にａ〜ｃを付すことにする。
モジュール筐体２は、薄い略箱形に形成された樹脂製のモジュール本体２０と、略矩形の板状体に形成された樹脂製のモジュール蓋２１からなる。モジュール本体２０は、その内部に３個の共通ユニット３及び２枚の金属板４を収容し、また、上面全体を開口させた上面開口部２２と、下面の一部を開口させた３つの下面開口部２３（２３ａ〜２３ｃ）を有している。上面開口部２２は、組み立て後にモジュール蓋２１によって覆われる組立用の開口であり、下面開口部２３ａ〜２３ｃは、各共通ユニット３ａ〜３ｃの放熱面をそれぞれ露出させる放熱用の開口である。
モジュール筐体２の下面は、放熱器９と会合させる放熱器取付面である。放熱器９は、半導体モジュール１が組み込まれる装置の金属筐体や、放熱フィンなどであり、モジュール筐体２の四隅に形成された取付孔２４を用いてモジュール筐体２に取り付けられる。共通ユニット３ａ〜３ｃの放熱面は、放熱器取付面に形成された下面開口部２３ａ〜２３ｃから僅かに突出させており、モジュール筐体２に放熱器を取り付けることによって、共通ユニット３ａ〜３ｃの放熱面を放熱器９に密着させることができる。
一方、モジュール筐体２の上面は、外部配線を接続するための端子が形成されている端子面であり、３個の外部端子３０（３０ａ〜３０ｃ）と、３組の制御端子３３（３３ａ〜３３ｃ）及び３４（３４ａ〜３４ｃ）と、外部共通端子４１及び４２とが配設されている。
外部端子３０は、共通モジュール３の端子であり、３個の外部端子３０ａ〜３０ｃが、モジュール蓋２１の一辺に沿って等間隔に配置されている。この外部端子３０ａ〜３０ｃは、モジュール筐体２の上面においてモジュール本体２０及びモジュール蓋２１の隙間から引き出され、モジュール筐体２の上面に平行となるように折り曲げられた金属板であり、モジュール本体２０に沿って外側へ向けて延び、その先端部には締結孔３００が形成されている。
この締結孔３００に対向するモジュール本体２０の上面には、金属製のナットを回転しないように収容するナット収容部２００が形成されており、締結孔３００に挿通させたネジと上記ナットとを締結させることによって、上記ネジ及びナット間に挟み込まれた外部端子３０及び外部配線を電気的に導通させることができる。なお、上記ナットは、ナット収容部２００内において固着されていなくても、ナット収容部２００の開口がナットの収容後に折り曲げられた外部端子３０によって覆われているため、共通ユニット３を取り外さなければ、ネジとの非締結時であってもナット収容部２００からナットが脱落することはない。
外部共通端子４１は、各共通モジュール３ａ〜３ｃの共通端子３１をモジュール筐体２内において互いに導通させる金属板４ｍの一部をモジュール筐体２から引き出した端子であり、外部端子３０ａ〜３０ｃを配列させた辺に隣接するモジュール蓋２１の辺上に配置されている。この外部共通端子４１は、外部端子３０と同様、モジュール筐体２の上面においてモジュール本体２０及びモジュール蓋２１の隙間から引き出され、モジュール本体２０に沿って外側へ向けて延び、その先端部には締結孔４００が形成されている。この締結孔４００に対向するモジュール本体２０の上面には、金属製のナットを回転しないように収容するナット収容部２０１が形成されており、締結孔４００に挿通させたネジと上記ナットとを締結させることによって、上記ネジ及びナット間に挟み込まれた外部共通端子４１及び外部配線を電気的に導通させることができる。なお、上記ナットは、ナット収容部２０１内において固着されていなくても、ナット収容部２０１の開口は、ナットの収容後に、配置される外部共通端子４１によって覆われるため、金属板４ｍを取り外さなければ、ネジとの非締結時であってもナット収容部２０１からナットが脱落することはない。
外部共通端子４２は、各共通モジュール３ａ〜３ｃの共通端子３２をモジュール筐体２内において互いに導通させる金属板４ｎの一部をモジュール筐体２から引き出した端子である。その他の構成は、外部共通端子４１と全く同様である。
制御端子３３及び３４は、共通モジュール３（３ａ〜３ｃ）の端子であり、３組の制御端子３３ａ〜３３ｃ及び３４ａ〜３４ｃは、外部端子３０が配列された辺とは反対側のモジュール蓋２１の一辺に沿って配置されている。制御端子３３及び３４は、上に向けて延びる断面が略矩形のピン状の端子であり、モジュール蓋２１のガイド孔２１０を通って、モジュール筐体２外へ引き出されている。
次に、図３を用いて半導体モジュール１の組み立て方法の一例について説明する。共通ユニット３は、下面開口部２３からモジュール本体２０内に組み込まれ、一番奥まで挿入された状態において、その外部端子３０が外側に折り曲げられる。この様にして３個の共通ユニット３ａ〜３ｃを装着すれば、互いの長辺が一定距離の空間を隔てて対向するように各共通ユニット３ａ〜３ｃを整列配置させて、モジュール本体２０内に収納することができる。
金属板４ｍ及び４ｎは、上面開口部２２からモジュール本体２０内に組み込まれる。金属板４ｍ及び４ｎは、それぞれが共通ユニット３ａ〜３ｃの全てを横断するように、共通ユニット３の長手方向と交差させて配置される。また、金属板４ｍには、３個の締結孔４０１ａ〜４０１ｃが形成されており、ネジを用いて、全ての共通モジュール３の共通端子３１と締結され、電気的に導通される。同様にして、金属板４ｎには、３個の締結孔４０２ａ〜４０２ｃが形成されており、ネジを用いて、全ての共通モジュール３の共通端子３２と締結され、電気的に導通される。その後、モジュール蓋２１により、上面開口部２２を閉鎖すれば、半導体モジュール１の組み立てが完了する。
図４は、共通モジュール３内部の一構成例を示した図であり、図中の（ｂ）は、（ａ）に示されたＢの方向から見た図である。セラミック基板５０の上面は、半導体素子５４や端子３０〜３４などを配置されており、これらを電気的に接続するための回路面として使用され、その下面は、放熱器９の伝熱面に密着させる放熱面として使用される。
このセラミック基板５０は、その両面に金属層５１及び５２が形成された回路基板であり、例えば、ＤＢＣ（Direct Bonding Copper）法によって銅（Ｃｕ）の薄板が固着されている。回路面側の金属層５２は、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングされ、配線として使用される。また、放熱面側にも金属層５１を形成することによって、セラミック基板５０の両面について熱膨張特性を均一にし、セラミック基板５０の反りを抑制している。
半導体チップ５４は、半田層５３を介在させて金属層５２上に配置されている。ここでは、半導体チップ５４として、直列接続されたサイリスタ及びダイオードが配置されているものとする。また、図中では省略しているが、その他の電子部品、例えばチップ抵抗なども必要に応じて配置されている。さらに、各端子３０〜３４も、半田層５３を介在させて金属層５２上に配設され、あるいは、半導体チップ上に配置されている。これらの電子部品及び各端子３０〜３４の間は、必要に応じて金属層５２のパターン、ボンディングワイヤ又はリードフレームを用いて電気的に接続されている。また、各端子３０〜３４は、樹脂モールディング時に２つの金型間に挟まれるため、セラミック基板５０からの高さが同一となる位置において、セラミック基板５０に平行となるように折り曲げられている。
図５は、図４のセラミック基板５０を下面側から見た図である。セラミック基板５０の下面に形成された金属層５１は、矩形形状の広い面積からなる放熱パターン５１０と、放熱パターン５１０を取り囲む細長い外周パターン５１１によって構成され、放熱パターン５１０と外周パターン５１１との間には、金属層５１が形成されない緩衝パターン５１２が形成されている。つまり、緩衝パターン５１２は、外周パターン５１１の内側において、放熱パターン５１０を取り囲む細長い溝部、例えば、一定幅の溝部として形成されている。この様なパターンの形成には、例えばフォトリソグラフィ技術を用いることができる。
このような構成により、放熱面側の金属層５２の周縁部に沿って延びる溝部としての緩衝パターン５１２に対して、その内側に放熱パターン５１０が内側パターンとして形成されるとともに、その外側に外周パターン５１１が外側パターンとして形成される。
なお、この例では、外周パターン５１１が緩衝パターン５１２を挟んで放熱パターン５１０の外周を取り囲むように、放熱面側の金属層５２の周縁部に沿って環状の緩衝パターン５１２が形成された構成が示されているが、このような構成に限らず、緩衝パターン５１２が上記金属層５２の周縁部の一部にのみ形成されたような構成であってもよい。この場合、矩形形状の金属層５１の少なくとも１辺に沿って溝部が形成されるような構成であればよく、金属層５１が長方形状の場合には、互いに対向する１対の長辺又は１対の短辺のいずれか一方に沿って溝部が形成された構成であってもよい。
回路が形成されたセラミック基板５０は、セラミック基板５０の金属層５１と、各端子３０〜３４の先端側のみを残して樹脂により封止される。例えば、熱硬化性のエポキシ樹脂を用いたＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法によって封止される。この様な樹脂モールディング処理によって、金属層５１を露出させ、端子３０〜３４を突出させたパッケージ３５が形成される。この樹脂モールディング処理は、金属層５１の表面に樹脂が流れ込まないように、セラミック基板５０の下面を平坦な金型内面に密着させて行われる。また、予め緩衝パターン５１２が形成されているため、金属層５１上に回り込んで外周パターン５１１を越える樹脂があったとしても、少量であれば、溝部として緩衝パターン５１２に吸収され、当該樹脂が放熱パターン５１０上には広がらない。このため、放熱パターン５１０表面への樹脂の付着によって放熱効率が低下するのを防止することができる。
特に、本実施の形態では、外周パターン５１１が緩衝パターン５１２を挟んで放熱パターン５１０の外周を取り囲んでいるので、外周パターン５１１のいずれの部分から樹脂が回り込んだ場合であっても、その樹脂を緩衝パターン５１２に良好に吸収させることができる。したがって、放熱パターン５１０表面への樹脂の付着によって放熱効率が低下するのをより効果的に防止できる。
図６及び図７は、樹脂封止後の共通ユニット３の一構成例を示した外観図であり、図６の（ａ）には上面、（ｂ）には下面が示されている。また、図７の（ａ）には共通端子３１及び３２側から見た側面、（ｂ）には外部端子３０側から見た側面、（ｃ）には制御端子３３，３４側から見た側面がそれぞれ示されている。
図８は、モジュール筐体２への収容前の共通ユニット３の一構成例を示した外観図であり、各端子３０〜３４が折り曲げられた状態が示されている。なお、図中の（ａ）には上面、（ｂ）には共通端子３１及び３２側から見た側面が示されている。外部端子３０及び制御端子３３，３４は、直角に折り曲げられて上を向き、共通端子３１及び３２は、約１８０°の角度で折り曲げられ、パッケージ３５中央の上面に沿って延びている。
樹脂封止後の各端子３０〜３４は、いずれも上向きに開いている段差部の谷線、図示した例では、上面及び側面によって形成されるパッケージ３５上の凹部の最深部からパッケージ３５外に露出し、パッケージ３５の上面に沿って外側へ延びている。これらの端子３０〜３４の先端に上向きの力を加えて、端子３０〜３４を上記谷線付近で折り曲げれば、図８に示した形状となる。この場合、各端子３０〜３４の屈曲部の下方には、外側へ延びるパッケージの上面３２０〜３２３が形成されており、これらの面が絶縁壁として機能する。つまり、端子３０〜３４をパッケージ３５の端部よりも後退させた位置で折り曲げることによって、端子３０〜３４の下方にパッケージの突出部３２０〜３２３が形成され、放熱器９から端子３０〜３４までの沿面距離を長くすることができるので、絶縁性を向上させることができる。
ここで、図６の（ａ）においてハッチングを付した各端子３０〜３４の根元部は、その上面だけを露出させた状態で、パッケージの上面３２０〜３２３に埋め込まれて形成されている。この様な構成は、パッケージの上面３２０〜３２３を形成する金型内面に各端子３０〜３４を密着させて樹脂モールディング処理を行えば実現することができる。
端子３０〜３４を折り曲げる際、端子３０〜３４と上面３２０〜３２３とを容易に分離することができなかったとすれば、パッケージ３５に亀裂が生じたり、あるいは、端子３０〜３４が谷線よりも外側で折り曲げられ、共通ユニット３の品質低下を招く。このため、端子３０〜３４の断面を上面３１０〜３１３から剥がれ易い形状、つまり、下側ほど幅が狭くなる形状にしている。具体的には、端子３０〜３４の側面にテーパーを付け、端子３０〜３４の断面を上向きに広がる台形形状としている。三角形や半円形などのように断面の幅が上向きに広がっている形状であれば、台形以外であってもよい。また、端子３０〜３４の上面は、上面３２０〜３２３からの露出面となることから、平面であることが望ましい。なお、少なくとも上面３２０〜３２３から分離される部分が、このような断面形状であればよいことは言うまでもない。
共通端子３１の先端部には、金属板４ｍと締結するための締結孔３０１が形成されている。この締結孔３０１に対向するパッケージ３５の上面には、金属製のナットを回転しないように収容するナット収容部３１１が凹部として形成されている。このため、締結孔３０１及び金属板４ｍの締結孔４０１に挿通させたネジと上記ナットとを締結させることによって、上記ネジ及びナット間に挟み込まれた共通端子３１及び金属板４ｍを電気的に導通させることができる。なお、上記ナットは、ナット収容部３１１内において固着されていなくても、ナット収容部３１１の開口がナットの収容後に折り曲げられた共通端子３１によって覆われているため、ネジとの非締結時であってもナット収容部３１１からナットが脱落することはない。
全く同様にして、共通端子３２の先端部には、金属板４ｎと締結するための締結孔３０２が形成されている。この締結孔３０２に対向するパッケージ３５の上面には、金属製のナットを回転しないように収容するナット収容部３１２が凹部として形成されている。このため、締結孔３０２及び金属板４ｎの締結孔４０２に挿通させたネジと上記ナットとを締結させることによって、上記ネジ及びナット間に挟み込まれた共通端子３２及び金属板４ｎを電気的に導通させることができる。なお、上記ナットは、ナット収容部３１２内において固着されていなくても、ナット収容部３１２の開口がナットの収容後に折り曲げられた共通端子３２によって覆われているため、ネジとの非締結時であってもナット収容部３１２からナットが脱落することはない。
また、パッケージ３５は、薄い略矩形の形状として形成されているが、その側面にはテーパー部３６が設けられ、放熱面が形成されている下面に比べて、より上面側のパッケージ３５部分の外形が大きくなっている。また、パッケージの上面には、ナット収容孔３１１，３１２が窪み部として形成されており、当該部分は樹脂層が薄く形成されている。従って、樹脂の成型収縮によってセラミック基板５０に作用する応力が抑制され、セラミック基板５０の反りを低減することができる。
図９及び図１０は、図１のモジュール本体２０のみを示した外観図であり、図９に上面、図１０に下面が示されている。モジュール本体２０の内部空間には、共通ユニット３ａ〜３ｃを横断する上面側の１本の補強梁２５と、この補強梁２５と交差する下面側の２本の補強梁２６が形成されている。補強梁２５は、共通ユニット３ａ〜３ｃよりも更に上方に配置されているが、補強梁２６は、各共通ユニット３ａ〜３ｃ間に形成され、共通ユニット３の水平面内における位置決めを行っている。
ユニット当接部２７及び２８は、モジュール本体２０の内壁に形成された突出部又は下向きに開いている段差部であり、共通ユニット３の長手方向の両端にそれぞれ当接させることによって、共通モジュール３の鉛直方向の位置決めを行っている。
図１１は、図１０のＡ−Ａ切断線によって、放熱器９が取り付けられた半導体モジュール１を切断したときの断面図である。取付孔２４を用いてモジュール筐体２に放熱器９に取り付けると、モジュール筐体２の放熱器取付面と、放熱器９の平坦な伝熱面９１とを対向させ、かつ、両者をできるだけ近づけた状態にすることができる。このとき、共通ユニット３は、その放熱面をモジュール筐体２の下面開口部２３から僅かに突出させるように、モジュール筐体２によって保持されていることから、共通ユニット３が、ユニット当接部２７及び２８と、放熱器の伝熱面９１との間に挟まれる。このため、共通ユニット３の放熱面を放熱器９の伝熱面９１に密着させることができる。
図１２は、セラミック基板５０にそりが生じた場合の一例を示した説明図である。樹脂からなるパッケージ３５は、セラミック基板５０に比べて熱膨張率が大きい。このため、樹脂モールディング処理後の冷却時に、セラミック基板５０に比べて、パッケージ３５の方がより大きく収縮し、下方向へ凸となる反りがセラミック基板５０に発生し易く、このような反りは「順反り」と呼ばれている。逆に、セラミック基板５０が上方向へ凸となる反りは「逆反り」と呼ばれている。放熱効率の観点からは、反りが発生することは望ましくないが、特に、逆反りは、温度が高くなる中央部が放熱板に密着しなくなるため、順反りに比べて著しく放熱効率が悪い。
図１の半導体モジュール１は、略矩形のモジュール筐体２内に３個の共通ユニット３ａ〜３ｃを整列配置させているため、両端の共通ユニット３ａ及び３ｃに比べて、中央の共通ユニット３ｂの温度がより高くなる。一方、放熱器９は、モジュール筐体２の四隅に設けられた取付孔２４を用いて取り付けられているため、両端の共通ユニット３ａ及び３ｃに比べて、中央の共通ユニット３ｂには、放熱面５１に対する放熱器９の押圧力が弱く、放熱効率が悪くなりやすい。従って、中央の共通ユニット３ｂには、両端の共通ユニット３ａ及び３ｃに比べてセラミック基板５０がより順反り側のものを用いることが望ましい。特に、中央の共通ユニット３ｂのセラミック基板５０は、順反りであることが望ましい。
図１３は、本実施の形態の半導体モジュール１をアーク放電装置に適用した場合の一構成例を示したブロック図であり、アーク放電装置の一例としてアーク溶接機１００を示している。このアーク溶接機１００は、電源装置１０１、制御回路１０２、変圧器１０３及びトーチ１０４を備え、トーチ１０４と被溶接物Ｗとの間でアーク放電を行うことにより、溶接ワイヤや溶接棒といった溶加材を加熱溶融させて、被溶接物Ｗを溶接するものである。
電源装置１０１は、外部から供給される交流電源の周波数を可変変換する周波数変換回路であり、上述の半導体モジュール１の他、インバータ１０５などにより形成されている。この例では、半導体モジュール１が、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータを構成しており、３個の外部端子３０（３０ａ〜３０ｃ）に供給される三相交流電源が、半導体モジュール１により形成されるブリッジ回路によって全波整流され、直流電源に変換される。半導体モジュール１には、制御端子３３及び３４を介して制御回路１０２からの制御信号が入力され、当該制御信号に基づいてブリッジ回路の動作が制御されるようになっている。
半導体モジュール１により全波整流された直流電源は、外部共通端子４１及び４２を介してインバータ１０５に供給される。インバータ１０５は、直流電圧を交流電圧に変換する交流変換回路であり、制御回路１０２からの制御信号に基づいて、出力される交流電圧の周波数を任意に変更することができる。インバータ１０５により任意の周波数に変換された交流電圧は、変圧器１０３により昇圧され、トーチ１０４及び被溶接物Ｗ間に高電圧が印加されることにより、トーチ１０４と被溶接物Ｗとの間にアーク放電が発生する。
アーク溶接機１００のようなアーク放電装置では、トーチ１０４と被溶接物Ｗとの間にアーク放電を発生させて溶接作業を行った後、次の被溶接物Ｗに対する溶接作業を開始するまでの間隔が比較的短く、例えば５分程度である。そのため、アーク放電に伴って半導体モジュール１が高温状態になった後、次の溶接作業を開始するまでの間に半導体モジュール１が自然冷却され、次の溶接作業時に再び高温状態になるといった熱サイクルが、比較的短い周期で発生することとなる。
アーク溶接機１００の電力変換装置に適用されたセラミック基板は、温度変化に伴って作用する応力が変化することにより、反りが大きくなったり小さくなったりするため、上記のような熱サイクルの下では、反りが大きい状態と小さい状態とが頻繁に繰り返されることとなり、半導体チップの剥離等の問題がより顕著になる。そこで、このようなアーク溶接機１００に本実施の形態の半導体モジュール１を適用することにより、セラミック基板５０の反りを効果的に防止することができる。
この例では、交流電圧を直流電圧に変換する直流変換回路としてのコンバータに半導体モジュール１を適用する場合について説明したが、このような構成に限らず、インバータ１０５のような直流電圧を交流電圧に変換する交流変換回路の他、電力変換装置に備えられた各種回路に半導体モジュール１を適用することが可能である。インバータ１０５に半導体モジュール１を適用する場合には、各共通ユニット３は、サイリスタ及びダイオードの直列回路を内蔵するものではなく、２個のサイリスタ又は２個のトランジスタの直列回路を内蔵するような構成であってもよい。
また、本実施の形態の半導体モジュール１は、アーク溶接を行うためのアーク溶接機１００に限らず、アーク放電を発生させるような装置であれば、切断機などの他のアーク放電装置にも適用可能である。
なお、上記実施の形態では、モジュール筐体２内において、金属板４ｍ及び４ｎを用いて、各共通ユニット３ａ〜３ｃの共通端子３１及び３２をそれぞれ接続しているが、本発明はこの様な場合に限定されない。すなわち、金属板４ｎ及び４ｍに代えて、任意の形状からなる金属ブロックを用いることができる。
また、上記実施の形態では、共通ユニット３がサイリスタ及びダイオードによって構成される例について説明したが、本発明はこの様な場合には限定されない。すなわち、ダイオード、サイリスタ、バイポーラトランジスタ、その他の任意の電力用半導体素子の組み合わせによって構成することができる。例えば、２個のサイリスタの直列回路で構成してもよい。また、本発明は、２個の半導体素子によって構成される場合にも限定されない。
また、本実施の形態では、半導体モジュール１が、３相交流電力を直流電力に変換する三相交流変換器の例について説明したが、本発明は、このような場合には限定されない。例えば、直流電力を交流電力に変換するインバータ、その他の電力変換装置に使用することもできる。
また、本実施の形態では、モジュール筐体２内に３個の共通ユニット３を収容する半導体モジュール１の例について説明したが、例えば、１個の共通ユニット３のみを収容するモジュール筐体を実現することができる。この場合、金属板４ｍ及び４ｎは不要となる。共通ユニット３は、このようにして収容する共通ユニット３の数が異なる半導体モジュール間においても共通化できるため、更にコストダウンを図ることができる。
本発明の実施の形態による半導体モジュール１の一構成例を示した外観図であり、半導体モジュール１の上面が示されている。 半導体モジュール１の一構成例を示した外観図であり、半導体モジュール１の下面が示されている。 図１の半導体モジュール１の組み立て時の様子を示した展開斜視図である。 共通モジュール３内部の一構成例を示した図である。 図４のセラミック基板５０を下面側から見た図である。 樹脂封止後の共通ユニット３の一構成例を示した外観図であり、共通ユニット３の上面及び下面が示されている。 樹脂封止後の共通ユニット３の一構成例を示した外観図であり、共通ユニット３の各側面が示されている。 モジュール筐体２への収容前の共通ユニット３の一構成例を示した外観図である。 図１のモジュール本体２０のみを示した外観図であり、モジュール本体２０の上面が示されている。 図１のモジュール本体２０のみを示した外観図であり、モジュール本体２０の下面が示されている。 図１０のＡ−Ａ切断線によって、放熱器９が取り付けられた半導体モジュール１を切断したときの断面図である。 セラミック基板５０にそりが生じた場合の一例を示した説明図である。 本実施の形態の半導体モジュール１をアーク放電装置に適用した場合の一構成例を示したブロック図であり、アーク放電装置の一例としてアーク溶接機１００を示している。
符号の説明
１ 半導体モジュール
２ モジュール筐体
２０ モジュール本体
２００，２０１ ナット収容部
２１ モジュール蓋
２１０ ガイド孔
２２ 上面開口部
２３ 下面開口部
２４ 取付孔
２５，２６ 補強梁
２７，２８ ユニット当接部
３ 共通ユニット
３０ 外部端子
３１，３２ 共通端子
３３，３４ 制御端子
３５ パッケージ
３００〜３０２ 締結孔
３１１，３１２ ナット収容部
４ 金属板
４１，４２ 外部共通端子
４００，４０１，４０２ 締結孔
５０ セラミック基板
５１，５２ 金属層
５３ 半田層
５４ 半導体チップ
９ 放熱器
９１ 伝熱面
５１０ 放熱パターン
５１１ 外周パターン
５１２ 緩衝パターン
１００ アーク溶接機
１０１ 電源装置
１０２ 制御回路
１０３ 変圧器
１０４ トーチ
１０５ インバータ
Ｗ 被溶接物

Claims (1)

  1. アーク放電のために供給される交流電源の周波数を可変変換する電源装置を備えたアーク放電装置であって、
    上記電源装置が、電力用半導体モジュール及び上記電力用半導体モジュールに取り付けられる放熱器を備え、
    上記電力用半導体モジュールは、モジュール筐体と、上記モジュール筐体によって保持される２以上の共通ユニットとを備え、上記共通ユニットが、半導体素子が配設された回路面及び上記回路面に対向する放熱面を有するセラミック基板と、上記放熱面を露出させるとともに上記回路面を耐熱性樹脂により封止して形成されるパッケージとを有し、
    上記放電器は、上記モジュール筐体に取り付けられることにより、上記２以上の共通ユニットの全ての上記放熱面に当接することを特徴とするアーク放電装置。
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