JPWO2018047323A1 - 半導体素子の保持装置およびこの保持装置を用いた電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置内部に実装されるパワー半導体素子の短絡故障に起因して発生する発煙および発火に対して、簡素な構造で対策することを目的とする。
以下、本発明に係る半導体素子の保持構造に関する好適な実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付す。
図1は、本発明の実施の形態1の電力変換装置であるDC−DCコンバータを説明する回路構成図である。
この回路のトランス二次側は、センタータップ型ダイオード整流方式であり、全波整流回路と同等の整流波形を得ることができるものである。図1において、直流電圧を印加する入力端子101a、101bには、出力端子111の出力電圧よりも高い電圧が印加される。入力端子101a、101bに入力された直流電圧は、インバータ回路102で交流電圧に変換される。インバータ回路102は、一般的には、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)、などのスイッチング素子で構成される。
インバータ回路102から出力された交流電圧は、トランス一次巻線103に印加される。インバータ回路102に設けられた半導体素子を、図示しない駆動回路から供給される駆動信号に応じてスイッチングすることによって生成される矩形波に近い交流電圧が印加される。
トランス二次側は、トランスの巻き数比に応じて異なる電圧レベルに変換された交流電圧が印加されるトランス上側二次巻線104と、トランス下側二次巻線105とからなる。
磁性体コア106で、トランス一次巻線103、トランス上側二次巻線104、及びトランス下側二次巻線105を電磁気的に結合する。トランスを構成する各巻線は、磁性体コア106に設けられた中足の周囲に配置される。
整流素子107a、107bは、パワー半導体素子で構成され、トランス上側二次巻線104、トランス下側二次巻線105から出力される交流電圧を整流する。整流素子107a、107bで整流したリップル電圧波形は、リアクトル109、コンデンサ110からなる平滑回路で平滑され、この平滑回路で得られた直流電圧を出力端子111から出力する。なお、本実施の形態では、二次側回路のグランド端子108を金属筐体と導電位にしているため、出力電圧は出力端子111と金属筐体との間に出力される。
しかし、整流素子107bに短絡故障が発生した場合、矢印113で示されるように、鉛バッテリ112から整流素子107bに大電流が流入し、整流素子107bが発煙、発火に至る恐れがある。すなわち、整流素子107b内部が非常に細いアルミワイヤで結線されている場合、車両側に設けた速断性ヒューズよりも先にアルミワイヤが溶断するため、アルミワイヤ周辺のエポキシ樹脂が炭化することで、鉛バッテリ112からの通電経路が形成される。これに加え、大電流によりエポキシ樹脂にひび割れが生じ、ひび割れた箇所から酸素が供給されるため、発煙、発火が引き起こされる。
図2は、図1で示された整流素子107aまたは107bが収納された整流素子パッケージ201の保持構造200を示す組立斜視図である。
整流素子パッケージ201は、整流素子の端子が露出する側の反対側上部の両側部に、半円状に切り欠いた凹部202a、202bが形成され、この凹部202a、202bの間に、固定用ネジ209を貫通させるためのパッケージ孔部203が設けられている。
この整流素子パッケージ201の上面に接触して、上面の面積よりも一回り大きなプレート204が配置される。プレート204は材質を金属、あるいは樹脂などで構成され、整流素子パッケージ201の凹部202a、202bに対応する両側部には、プレート上面から整流素子パッケージ201の方向に垂直に折り曲げられたプレート凸部205a、205bが形成される。プレート凸部205a、205bは、凹部202a、202bの円弧状の側面と係合し、整流素子パッケージ201とプレート204が位置決めされる。 また、プレート204にもパッケージ孔部203と同じ位置にプレート孔部206が設けられている。
整流素子パッケージ201の下面に接触して放熱シート207が配置される。放熱シート207にも固定用ネジ209が貫通する放熱シート孔部208が形成されている。また、整流素子パッケージ201の下面には金属製のヒートスプレッダ(図示せず)が配置されている。
固定用ネジ209は、プレート孔部206、パッケージ孔部203、放熱シート孔部208を貫通して、冷却器(図示せず)に設けられた冷却器孔部210のネジ溝と螺合する。これにより、プレート204、整流素子パッケージ201、及び放熱シート207は、互いに固定されると共に、冷却器に機械的に固定される。
また、整流素子パッケージの下面は、ヒートスプレッダが配置され、酸素が流入しにくい構造となっている。さらに固定用ネジ209により冷却器に押し当てられている。このため、冷却器がプレート204と同様の働きをして酸素の流入を防いでいる。
実施の形態2.
図3は、図1で示された整流素子107aまたは107bが収納された整流素子パッケージ301の保持構造300を示す組立斜視図である。
整流素子パッケージ301の上面に接触して、上面の面積よりも一回り大きなプレート302が配置される。プレート302は材質を金属、あるいは樹脂などで構成され、その外周部には、プレート上面から整流素子パッケージ301の方向に垂直に折り曲げられた外周面302a、302b、302cが形成され、整流素子パッケージ301の側部にそれぞれ係合する。整流素子パッケージ301の下面に接触して放熱シート303が配置される。プレート302の上面に、バネ部材304の一方の端部304aが接触し、他方の端部304bに形成された固定ネジが貫通するバネ部材孔部305に固定用ネジ306が貫通して、冷却器に設けられた冷却器孔部307のネジ溝と螺合する。これにより、バネ部材304は冷却器に機械的に固定されるとともに、プレート302、整流素子パッケージ301、及び放熱シート303を、冷却器に押し付ける。
実施の形態3.
図4は、図1で示された整流素子107aまたは107bが収納された複数の整流素子パッケージ401の保持構造400を示す組立斜視図である。
複数の(この図では4個)整流素子パッケージ401の上面に接触して、複数の整流素子パッケージ401を1枚で覆うことができるプレート402が配置される。プレート402は材質を金属、あるいは樹脂などで構成され、その外周部には、プレート上面から整流素子パッケージ401の方向に垂直に折り曲げられた外周面402a、402b、402cが形成され、外周面402bは複数の整流素子パッケージ401のそれぞれの側部401bに係合し、外周面402a、402cは複数の整流素子パッケージ401の端部に位置する側部401a、401cに係合する。整流素子パッケージ401の下面に接触して放熱シート403が配置される。プレート402の上面に、複数の(この図では2個)バネ部材404の一方の端部404aが接触し、他方の端部404bに形成され、固定ネジが貫通するバネ部材孔部405a、405bに固定用ネジ406が貫通して、冷却器に設けられた冷却器孔部407a、407bのネジ溝と螺合する。これにより、バネ部材404は冷却器に機械的に固定されるとともに、プレート402、整流素子パッケージ401、及び放熱シート403を、冷却器に押し付ける。
以下、本発明に係る半導体素子の保持構造に関する好適な実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付す。
図1は、本発明の実施の形態1の電力変換装置であるDC−DCコンバータを説明する回路構成図である。
この回路のトランス二次側は、センタータップ型ダイオード整流方式であり、全波整流回路と同等の整流波形を得ることができるものである。図1において、直流電圧を印加する入力端子101a、101bには、出力端子111の出力電圧よりも高い電圧が印加される。入力端子101a、101bに入力された直流電圧は、インバータ回路102で交流電圧に変換される。インバータ回路102は、一般的には、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)、などのスイッチング素子で構成される。
インバータ回路102から出力された交流電圧は、トランス一次巻線103に印加される。インバータ回路102に設けられた半導体素子を、図示しない駆動回路から供給される駆動信号に応じてスイッチングすることによって生成される矩形波に近い交流電圧が印加される。
トランス二次側は、トランスの巻き数比に応じて異なる電圧レベルに変換された交流電圧が印加されるトランス上側二次巻線104と、トランス下側二次巻線105とからなる。
磁性体コア106で、トランス一次巻線103、トランス上側二次巻線104、及びトランス下側二次巻線105を電磁気的に結合する。トランスを構成する各巻線は、磁性体コア106に設けられた中足の周囲に配置される。
整流素子107a、107bは、パワー半導体素子で構成され、トランス上側二次巻線104、トランス下側二次巻線105から出力される交流電圧を整流する。整流素子107a、107bで整流したリップル電圧波形は、リアクトル109、コンデンサ110からなる平滑回路で平滑され、この平滑回路で得られた直流電圧を出力端子111から出力する。なお、本実施の形態では、二次側回路のグランド端子108を金属筐体と同電位にしているため、出力電圧は出力端子111と金属筐体との間に出力される。
また、整流素子パッケージの下面は、ヒートスプレッダが配置され、酸素が流入しにくい構造となっている。さらに固定用ネジ209により冷却器に押し当てられている。このため、冷却器がプレート204と同様の働きをして酸素の流入を防いでいる。
半導体素子の保持構造の別の実施の形態について図3で説明する。半導体素子として、図1で示された整流素子107a、107bを例にとって説明するが、実施の形態1同様、整流素子に限らず、同様な課題が発生するパワー半導体素子に用いることができる。
図3は、図1で示された整流素子107aまたは107bが収納された整流素子パッケージ301の保持構造300を示す組立斜視図である。
整流素子パッケージ301の上面に接触して、上面の面積よりも一回り大きなプレート302が配置される。プレート302は材質を金属、あるいは樹脂などで構成され、その外周部には、プレート上面から整流素子パッケージ301の方向に垂直に折り曲げられた外周面302a、302b、302cが形成され、整流素子パッケージ301の側部にそれぞれ係合する。整流素子パッケージ301の下面に接触して放熱シート303が配置される。プレート302の上面に、バネ部材304の一方の端部304aが接触し、他方の端部304bに形成された固定ネジが貫通するバネ部材孔部305に固定用ネジ306が貫通して、冷却器に設けられた冷却器孔部307のネジ溝と螺合する。これにより、バネ部材304は冷却器に機械的に固定されるとともに、プレート302、整流素子パッケージ301、及び放熱シート303を、冷却器に押し付ける。
半導体素子の保持構造の別の実施の形態について図4で説明する。実施の形態1、2同様、半導体素子として、図1で示された整流素子107a、107bを例にとって説明するが、整流素子に限らず、同様な課題が発生するパワー半導体素子に用いることができる。
図4は、図1で示された整流素子107aまたは107bが収納された複数の整流素子パッケージ401の保持構造400を示す組立斜視図である。
複数の(この図では4個)整流素子パッケージ401の上面に接触して、複数の整流素子パッケージ401を1枚で覆うことができるプレート402が配置される。プレート402は材質を金属、あるいは樹脂などで構成され、その外周部には、プレート上面から整流素子パッケージ401の方向に垂直に折り曲げられた外周面402a、402b、402cが形成され、外周面402bは複数の整流素子パッケージ401のそれぞれの側部401bに係合し、外周面402a、402cは複数の整流素子パッケージ401の端部に位置する側部401a、401cに係合する。整流素子パッケージ401の下面に接触して放熱シート403が配置される。プレート402の上面に、複数の(この図では2個)バネ部材404の一方の端部404aが接触し、他方の端部404bに形成され、固定ネジが貫通するバネ部材孔部405a、405bに固定用ネジ406が貫通して、冷却器に設けられた冷却器孔部407a、407bのネジ溝と螺合する。これにより、バネ部材404は冷却器に機械的に固定されるとともに、プレート402、整流素子パッケージ401、及び放熱シート403を、冷却器に押し付ける。
Claims (10)
- パワー半導体素子が収納され、第1の面から冷却器に熱を放出するパッケージ、前記パッケージの前記第1の面と対向する第2の面を覆っているプレート、前記プレートを前記パッケージに押圧している押圧部材、を有する半導体素子の保持装置。
- 前記パッケージは、前記押圧部材により前記冷却器に固定されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の保持装置。
- 前記プレートの面積が前記第2の面の面積より大きいことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体素子の保持装置。
- 前記プレートの外周部に沿って、前記プレートから垂直に立つ面が、前記パッケージの側面に係合されていることを特徴とする請求項3に記載の半導体素子の保持装置。
- 複数のパッケージの前記第2の面が前記プレートで覆われていることを特徴とする請求項3または4に記載の半導体素子の保持装置。
- 前記プレートの外周部に、前記第2の面に向って形成された凸部が、前記第2の面に形成された凹部と係合していることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体素子の保持装置。
- 前記押圧部材はバネ部材であり、一端で前記冷却器に固定され、他端で前記プレートが押圧されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の半導体素子の保持装置。
- 前記押圧部材はネジからなり、前記ネジの一端が前記プレートに係合されており、前記ネジの他端は、前記プレートと前記パッケージを貫通して、前記冷却器に螺合されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の半導体素子の保持装置。
- パワー半導体素子はワイドバンドギャップ半導体であることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の半導体素子の保持装置。
- 請求項1から9のいずれか一項に記載の半導体素子の保持装置を用いた電力変換装置。
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