KR101189017B1 - 반도체 스택 및 그것을 이용한 전력 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

반도체 스택(1)은, 적층 기판(2), 복수의 반도체 모듈(3), 복수의 전해 콘덴서, 복수의 퓨즈(5), 및, 냉각 핀(6)을 갖는다. 적층 기판(2)은, P상 도체판(21), C상 도체판(22) 및 N상 도체판이 절연판(24b, 24c)을 통하여 겹쳐져 이루어진다. 반도체 모듈(3a 내지 3h)은, 적층 기판(2)의 배면상에 열을 이루어 배치되어 있다. 또한, 전해 콘덴서(4a 내지 4m)는, 적층 기판(2)의 배면상에 반도체 모듈의 열에 평행한 열을 이루어 배치되어 있다. 퓨즈(5a 내지 5m)는, 적층 기판(2)의 정면상에 배치되어 있다.

Description

반도체 스택 및 그것을 이용한 전력 변환 장치{SEMICONDUCTOR STACK AND POWER CONVERTER USING THE SAME}
본 발명은, 반도체 스택 및 그것을 이용한 3상 회전전기기계용의 전력 변환 장치에 관한 것이다.
종래의 전력 변환 장치에 사용되는 반도체 스택은, 적층 기판, 복수의 스위칭 소자 및 전해 콘덴서로 구성되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1을 참조.).
적층 기판은, 정극측의 도체판과 부극측의 도체판이 절연판을 통하여 적층되어 구성되어 있다. 각 스위칭 소자의 정극측의 단자 및 부극측의 단자는, 각각 적층 기판의 정극측의 도체판 및 부극측의 도체판에 접속되어 있다. 또한, 전해 콘덴서의 정극측의 단자 및 부극측의 단자는, 각각 적층 기판의 정극측의 도체판 및 부극측의 도체판에 접속되어 있다.
복수의 스위칭 소자는, 적층 기판의 표면상에 상하 방향으로 열(列)을 이루어서 실장되어 있다. 또한, 전해 콘덴서는, 복수의 스위칭 소자의 열의 연장상에 배치되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특개평7-131981호 공보
상기한 반도체 스택에서는, 전해 콘덴서가 복수의 스위칭 소자의 열의 연장상에 배치되어 있기 때문에, 각 스위칭 소자와 전해 콘덴서 사이의 거리가 균일하지 않다. 그 때문에, 전해 콘덴서에 가까운 스위칭 소자에 큰 전류가 흐르고, 각 스위칭 소자 사이의 전류가 언밸런스로 된다.
상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 관한 반도체 스택은, 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극이 각각에 형성된 제 1 도체판, 제 2 도체판 및 제 3 도체판이 절연판을 통하여 겹쳐져 이루어지는 적층 기판과, 상기 적층 기판의 한쪽의 면상에 열을 이루어 배치되고, 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극에 접속된 복수의 반도체 모듈과, 상기 적층 기판의 상기 한쪽의 면상에 상기 복수의 반도체 모듈의 열에 평행한 열을 이루어 배치되고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 접속된 복수의 제 1 전해 콘덴서와, 상기 적층 기판의 상기 한쪽의 면상에 상기 복수의 제 1 전해 콘덴서와 같은 열을 이루어 배치되고, 상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극에 접속된 복수의 제 2 전해 콘덴서와, 상기 적층 기판의 다른쪽의 면상에 배치되고, 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극의 각각에 접속된 복수의 퓨즈를 구비하고 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 관한 3상 회전전기기계를 이용한 전력 변환 장치는, 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극이 각각에 형성된 제 1 도체판, 제 2 도체판 및 제 3 도체판이 절연판을 통하여 겹쳐져 이루어지는 적층 기판과, 상기 적층 기판의 한쪽의 면상에 열을 이루어 배치되고, 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극에 접속된 복수의 반도체 모듈과, 상기 적층 기판의 상기 한쪽의 면상에 상기 복수의 반도체 모듈의 열에 평행한 열을 이루어 배치되고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 접속된 복수의 제 1 전해 콘덴서와, 상기 적층 기판의 상기 한쪽의 면상에 상기 복수의 제 1 전해 콘덴서와 같은 열을 이루어 배치되고, 상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극에 접속된 복수의 제 2 전해 콘덴서와, 상기 적층 기판의 다른쪽의 면상에 배치되고, 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극의 각각에 접속된 복수의 퓨즈를 구비하고 있다.
본 발명에 관한 반도체 스택은, 각 반도체 모듈 사이의 전류의 밸런스를 양호하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1의 실시 형태에 관한 반도체 스택의 정면 사시도.
도 2는 본 발명의 제 1의 실시 형태에 관한 반도체 스택의 적층 기판의 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 제 1의 실시 형태에 관한 반도체 스택의 적층 기판의 사시도.
도 4는 본 발명의 제 1의 실시 형태에 관한 반도체 스택의 회로 구성의 일부를 도시하는 도면.
(제 1의 실시 형태)
본 발명의 제 1의 실시 형태에 관한 3상 회전전기기계용의 전력 변환 장치에 이용되는 반도체 스택에 관해 도 1 내지 도 4를 이용하여 설명한다. 도 1은, 본 실시 형태에 관한 반도체 스택의 정면 사시도이다. 도 2는, 본 실시 형태에 관한 반도체 스택의 적층 기판의 분해 사시도이다. 도 3은, 본 실시 형태에 관한 반도체 스택의 적층 기판의 사시도이다. 도 4는, 본 실시 형태에 관한 반도체 스택의 회로 구성의 일부를 도시하는 도면이다.
본 실시 형태에 관한 반도체 스택(1)은, 적층 기판(2)의 표면상에 반도체 모듈(3), 전해 콘덴서(4), 퓨즈(5), 및, 냉각 핀(6)이 실장됨에 의해 구성되어 있다.
우선, 반도체 스택(1)의 회로 구성에 관해 도 4를 이용하여 설명한다.
반도체 스택(1)의 회로는, 8개의 반도체 모듈(3a 내지 3h), 12개의 전해 콘덴서(4a 내지 4m), 및, 12개의 퓨즈(5a 내지 5m), 및, 3개의 직류측의 전극(7)(P상 전극(7a), C상 전극(7b) 및 N상 전극(7c))으로 구성되어 있다.
반도체 모듈 3a, 3b는, P상 전극(7a), C상 전극(7b) 및 N상 전극(7c)에 접속되어 있다. 반도체 모듈 3a, 3b는, 서로 병렬로 접속되어 있다.
전해 콘덴서 4a 내지 4c는, P상 전극(7a) 및 C상 전극(7b)에 접속되고, 서로 병렬로 접속되어 있다. 또한, 전해 콘덴서 4d 내지 4f는, C상 전극(7b) 및 N상 전극(7c)에 접속되고, 서로 병렬로 접속되어 있다.
퓨즈 5a는, P상 전극(7a)에 직렬로 접속되고, 퓨즈 5b는, N상 전극(7c)에 직렬로 접속되어 있다. 퓨즈 5a, 5b는, 반도체 모듈 3a, 3b를 보호하기 위해 마련되어 있다. 또한, 퓨즈 5c, 5d는, C상 전극(7b)에 직렬로 접속되고, 서로 병렬로 접속되어 있다. 퓨즈 5c, 5d는, 전해 콘덴서 4d 내지 4f를 보호하기 위해 마련되어 있다.
반도체 모듈 3c, 3d 및 퓨즈 5e, 5f에 의해 구성된 회로는, 반도체 모듈 3a, 3b 및 퓨즈 5c, 5d에 의해 구성된 회로와 동일하고, 양 회로는, 서로 병렬로 접속되어 있다. 반도체 모듈 3c, 3d 및 퓨즈 5e, 5f와 반도체 모듈 3a, 3b 및 퓨즈 5c, 5d는, 전해 콘덴서 4a 내지 4f 및 퓨즈 5a, 5b를 공유한다.
반도체 모듈 3e 내지 3h, 전해 콘덴서 4g 내지 4m 및 퓨즈 5i 내지 5m에 의해 구성된 회로는, 반도체 모듈 3a 내지 3d, 전해 콘덴서 4a 내지 4f 및 퓨즈 5a 내지 5f에 의해 구성된 회로와 동일하고, 양 회로는, 서로 병렬로 접속되어 있다.
상술의 회로 구성에 의해, 반도체 모듈(3a 내지 3h)은, P상 전극(7a), C상 전극(7b) 및 N상 전극(7c)으로부터의 직류 전류를 3상 교류 전류에 변환하고, 출력한다.
다음에, 적층 기판(2)의 구조에 관해 도 2 및 도 3을 이용하여 설명한다.
적층 기판(2)은, 제 1 전극(P상 전극(7a))이 형성된 제 1 도체판(P상 도체판)(21), 제 2 전극(C상 전극(7b))이 형성된 제 2 도체판(C상 도체판)(22), 제 3 전극(N상 전극(7c))이 형성된 제 3 도체판(N상 도체판)(23), 및, 4장의 절연판(24)(절연판 24a 내지 24d)을 갖는다.
이들은, (도 2의 하방부터) 절연판(24a), N상 도체판(23), 절연판(24b), P상 도체판(21), 절연판(24c), C상 도체판(22), 절연판(24d)의 순서로 적층되어 있다. 적층 기판(2)은, 판형상이고, 그 판면의 형상은, 개략 직사각형으로 형성되어 있다.
도체판(21 내지 23) 및 절연판(24a 내지 24d)의 소정의 위치에는, 천공(穿孔) 가공에 의한 복수의 접속구멍(25)이 형성되어 있고, 복수의 접속구멍에는 접속용 볼트(도시 생략)가 삽입되어 있다. 이 접속용 볼트에 의해, 전극(7a 내지 7c)이 서로 전기적으로 접속되어 있다.
다음에, 반도체 스택(1)의 실장 구조에 관해 도 1을 이용하여 설명한다.
반도체 모듈(3a 내지 3h)은, 개략 직사각형의 판형상이다. 반도체 모듈(3a 내지 3h)은, 그 긴변 방향의 한쪽의 측부에는, P상측 단자, C상측 단자, N상측 단자 및 AC(교류)측 단자를 갖는다.
반도체 모듈 3a 내지 3d 및 반도체 모듈 3e 내지 3h는, 서로 대향하여, 적층 기판(2)의 절연판 24a측의 표면(이하 「적층 기판(2)의 배면」이라고 부른다)상에 배치되어 있다.
반도체 모듈 3a 내지 3d는, 단자가 마련된 측부(側部)만이 적층 기판(2)의 배면의 짧은변 방향의 한쪽의 측부에 겹쳐지도록, 적층 기판(2)의 긴변 방향에 따라, 차례로 1열로 나열하여 재치되어 있다.
반도체 모듈 3e 내지 3h는, 단자가 마련된 측부만이 적층 기판(2)의 배면의 단변 방향의 다른쪽의 측부(반도체 모듈(3a 내지 3h)이 배치된 측부와 반대측의 측부)에 겹쳐지도록, 적층 기판(2)의 긴변 방향에 따라, 차례로 1열로 나열하여 재치되어 있다.
적층 기판(2)의 단변 방향의 측부에는, 반도체 모듈(3a 내지 3h)의 단자에 대응한 위치에, 접시 드로잉 가공에 의한 복수의 접속구멍(25)이 마련되어 있고, 반도체 모듈(3a 내지 3h)의 P상측 단자와 P상 전극(7a), C상측 단자와 C상 전극(7b) 및 N상측 단자와 N상 전극(7c)이 접속되어 있다.
반도체 모듈(3a 내지 3h)의 적층 기판(2)측의 면(이하 「반도체 모듈(3)의 정면」이라고 부른다)과 반대측의 면(이하 「반도체 모듈(3)의 배면」이라고 부른다)에는, 4개의 냉각 핀(6a 내지 6d)이 마련되어 있다.
냉각 핀(6a 내지 6d)은, 냉각 핀(6a 내지 6d)을 통과하는 냉각풍 방향이 반도체 모듈(3)의 열에 직교하는 방향(적층 기판(2)의 짧은변 방향)이 되도록 설치된다.
전해 콘덴서(4a 내지 4m)는, 원통부와 그 일단에 마련된 2개의 단자를 갖는다. 전해 콘덴서 4a 내지 4c 및 전해 콘덴서 4g 내지 4i는, 각각 P상측 단자 및 C상측 단자를 갖는다. 한편, 전해 콘덴서 4d 내지 4f 및 전해 콘덴서 4j 내지 4m은, 각각 C상측 단자 및 N상측 단자를 갖는다.
전해 콘덴서 4a 내지 4f 및 전해 콘덴서 4g 내지 4m는, 서로 대향하여, 적층 기판(2)의 배면상에 기립하도록 배치되어 있다.
전해 콘덴서 4a 내지 4f 및 전해 콘덴서 4g 내지 4m은, 적층 기판(2)의 긴변 방향에 따라, 차례로 적층 기판(2)의 단변 방향의 중앙부에 2열로 나열하여 재치되어 있다.
전해 콘덴서 4a 내지 4f와 반도체 모듈 3a 내지 3d가 인접하고, 전해 콘덴서 4g 내지 4m와 반도체 모듈 3e 내지 3h가 인접하여 나열하여 있다.
적층 기판(2)의 단변 방향의 중앙부에는, 전해 콘덴서 4a 내지 4c 및 전해 콘덴서 4g 내지 4i의 단자에 대응한 위치에, 접시 드로잉 가공에 의한 복수의 접속구멍(25)이 마련되어 있고, 전해 콘덴서 4a 내지 4c 및 전해 콘덴서 4g 내지 4i의 P상측 단자와 P상 전극(7a) 및 C상측 단자와 C상 전극(7b)이 접속되어 있다.
또한, 적층 기판(2)의 짧은변 방향의 중앙부에는, 전해 콘덴서 4d 내지 4f 및 전해 콘덴서 4j 내지 4m의 단자에 대응한 위치에 접속구멍(25)이 마련되어 있고, 전해 콘덴서 4d 내지 4f 및 전해 콘덴서 4j 내지 4m의 N상측 단자와 N상 전극(7c) 및 C상측 단자와 C상 전극(7b)이 접속되어 있다.
퓨즈(5a 내지 5m)는, 개략 직육면체 형상이고, 2개의 단자를 갖는다. 퓨즈 5a, 5g는, 각각 2개의 P상측 단자를 가지며, 퓨즈 5b, 5h는, 각각 2개의 P상측 단자를 갖는다. 또한, 퓨즈 5c 내지 5f 및 퓨즈 5i 내지 5m은, 각각 2개의 C상측 단자를 갖는다.
퓨즈 5a 내지 5f 및 퓨즈 5g 내지 5m은, 서로 대향하여, 적층 기판(2)의 배면과 반대측의 면(이하 「적층 기판(2)의 정면」)상에 배치되어 있다.
퓨즈 5a, 5c 내지 5f, 5b는, 적층 기판(2)의 긴변 방향에 따라, 반도체 모듈 3a 내지 3d와 전해 콘덴서 4a 내지 4f 사이에 배치되도록, 차례로 적층 기판(2)의 정면에 1열로 나열하여 재치되어 있다.
한편, 퓨즈 5g, 5i 내지 5m, 5h는, 적층 기판(2)의 긴변 방향에 따라, 반도체 모듈 3e 내지 3h와 전해 콘덴서 4g 내지 4m 사이에 배치되도록, 차례로 적층 기판(2)의 정면에 1열로 나열하여 재치되어 있다.
적층 기판(2)의 퓨즈(5a 내지 5m)의 단자에 대응한 위치에는, 접속구멍(25)이 마련되고, 솔더링 가공되어 있다. 퓨즈 5a, 5g의 P상 단자는, P상측 전극(7a)에 접속되고, 퓨즈 5b, 5h의 N상 단자는, N상측 전극(7c)에 접속되어 있다. 또한, 퓨즈 5c 내지 5f 및 퓨즈 5i 내지 5m의 C상 단자는, C상측 전극(7b)에 접속되어 있다.
반도체 스택(1)은, 예를 들면, 3상 회전전기기계용의 전력 변환 장치(도시 생략)에 이용된다.
이러한 경우에는, 반도체 스택(1)은, 전력 변환 장치의 몸체 내에 설치된다. 반도체 스택(1)은, 적층 기판(2)의 정면이 전력 변환 장치의 몸체의 정면측을 향하도록 설치되어 있다.
이하, 본 실시 형태에 관한 반도체 스택(1)의 효과에 관해 설명한다.
본 실시 형태에 의하면, 반도체 모듈 3a 내지 3d와 전해 콘덴서 4a 내지 4f가 병행하여 배열되어 있기 때문에, 반도체 모듈 3a 내지 3d와 전해 콘덴서 4a 내지 4f와의 배선 거리를 개략 균일하게 할 수 있다. 마찬가지로, 반도체 모듈 3e 내지 3h와 전해 콘덴서 4g 내지 4m와의 배선 거리를 개략 균일하게 할 수 있다. 그 결과, 각 반도체 모듈(3a 내지 3h) 사이의 전류의 밸런스가 양호해진다.
또한, 본 실시 형태에 의하면, 반도체 모듈(3)과 전해 콘덴서(4)를 접속하고 있는각 도체(7a 내지 7c)가 적층되어 있기 때문에, 각 도체(7a 내지 7c) 사이의 거리가 최소로 되어 있다. 그 결과, 각 도체(7a 내지 7c)의 배선 인덕턴스를 최소에 할 수 있고, 반도체 모듈(3)의 서지 전압을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의하면, 평면형상의 적층도체 2의 표면에 반도체 모듈(3), 전해 콘덴서(4) 및 퓨즈(5)를 실장하고 있기 때문에, 파손 빈도가 높은 반도체 모듈(3), 전해 콘덴서(4) 및 퓨즈(5)의 보수 교환이 용이해진다.
또한, 본 실시 형태에 의하면, 판형상의 반도체 모듈(3)이, 그 단자가 마련된 측부만이 적층 기판(2)에 겹쳐져 재치되어 있다. 그 때문에, 반도체 모듈(3)의 방열 효율이 향상한다. 또한, 냉각 핀(6)을 통과하는 냉각풍 방향이, 적층 기판(2)의 단변 방향이다. 그 때문에, 반도체 모듈(3)의 냉각과 동시에, 전해 콘덴서(4)를 냉각할 수 있다.
(그 밖의 실시 형태)
상기 각 실시 형태는 단순한 예시이고, 본 발명은 이들로 한정되는 것이 아니다.
반도체 모듈(3), 전해 콘덴서(4) 및 퓨즈(5)의 개수는, 상기 실시 형태로 한정되지 않는다. 예를 들면, 제 1의 실시 형태에 관한 반도체 스택(1)보다 소규모의 반도체 스택의 경우에는, 반도체 모듈을 4개(3a 내지 3d), 전해 콘덴서를 6개(4a 내지 4f), 퓨즈를 6개(5a 내지 5f)로 하여도 좋다.
또한, 제 1 도체판(21), 제 2 도체판(22) 및 제 3 도체판(23)의 적층의 순서는, 상기 실시 형태로 한정되지 않는다.
나아가서는, 각 전극(7a 내지 7c) 사이의 전기적인 접속, 및, 전극(7a 내지 7c)과 반도체 모듈(3) 등과의 사이의 전기적인 접속은, 접속용 볼트로 한정되지 않고, 구리선, 솔더 및 솔더링 등이라도 좋다.
1 : 반도체 스택
2 : 적층 기판
3 : 반도체 모듈
4 : 전해 콘덴서
5 : 퓨즈
6 : 냉각 핀
7 : 직류측의 전극
21 : 제 1 도체판
22 : 제 2 도체판
23 : 제 3 도체판
24 : 절연판
25 : 접속구멍
26 : 적층도체의 장변 방향
27 : 적층도체의 단변 방향

Claims (5)

  1. 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극이 각각에 형성된 제 1 도체판, 제 2 도체판 및 제 3 도체판이 절연판을 통하여 겹쳐져 이루어지는 적층 기판과,
    상기 적층 기판의 한쪽의 면상에 열을 이루어 배치되고, 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극에 접속된 복수의 반도체 모듈과,
    상기 적층 기판의 상기 한쪽의 면상에 상기 복수의 반도체 모듈의 열에 평행한 열을 이루어 배치되고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 접속된 복수의 제 1 전해 콘덴서와,
    상기 적층 기판의 상기 한쪽의 면상에 상기 복수의 제 1 전해 콘덴서와 같은 열을 이루어 배치되고, 상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극에 접속된 복수의 제 2 전해 콘덴서와,
    상기 적층 기판의 다른쪽의 면상에 배치되고, 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극의 각각에 접속된 복수의 퓨즈를 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 스택.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 반도체 모듈은 서로 평행한 2개의 열을 이루어 배치되고, 상기 복수의 전해 콘덴서의 열은 상기 복수의 반도체 모듈의 2개의 열의 중앙에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 스택.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 복수의 반도체 모듈은 판형상이고, 그들의 한쪽의 판면의 일부만이 상기 적층 기판에 겹쳐지도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 스택.
  4. 제 3항에 있어서,
    통과하는 냉각풍 방향이 상기 반도체 모듈의 열에 직교하는 방향이 되도록, 상기 복수의 반도체 모듈의 상기 적층 기판과 반대측의 면상에 배치된 냉각 핀을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 스택.
  5. 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극이 각각에 형성된 제 1 도체판, 제 2 도체판 및 제 3 도체판이 절연판을 통하여 겹쳐져 이루어지는 적층 기판과,
    상기 적층 기판의 한쪽의 면상에 열을 이루어 배치되고, 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극에 접속된 복수의 반도체 모듈과,
    상기 적층 기판의 상기 한쪽의 면상에 상기 복수의 반도체 모듈의 열에 평행한 열을 이루어 배치되고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 접속된 복수의 제 1 전해 콘덴서와,
    상기 적층 기판의 상기 한쪽의 면상에 상기 복수의 제 1 전해 콘덴서와 같은 열을 이루어 배치되고, 상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극에 접속된 복수의 제 2 전해 콘덴서와,
    상기 적층 기판의 다른쪽의 면상에 배치되고, 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극의 각각에 접속된 복수의 퓨즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 3상 회전전기기계용의 전력 변환 장치.
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