KR960008119Y1

KR960008119Y1 - Semiconductor cooling device of inverter for railway vehicle

Info

Publication number: KR960008119Y1
Application number: KR2019930017790U
Authority: KR
Inventors: 신동희
Original assignee: 주식회사 파워테크; 신동희
Priority date: 1993-09-07
Filing date: 1993-09-07
Publication date: 1996-09-23
Also published as: KR950010528U

Abstract

요약없음No summary

Description

Semiconductor Cooling Device of Inverter for Railway Vehicle

제1도는 본 고안의 요부사시도.1 is a main portion of the present invention.

제2도는 본 고안의 냉각장치 측면 구조도.2 is a side view of the cooling device of the present invention.

제3도는 종래 기술의 일면냉각 방식 구조도.3 is a structure of a conventional one-side cooling system.

제4도는 종래 기술의 양면냉각 방식 구조도.4 is a double-sided cooling scheme of the prior art.

제5도는 종래 기술의 양면냉각 방식 구조도.5 is a double-sided cooling scheme of the prior art.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

10 : 반도체 소자11 : 에노우드전극10 semiconductor element 11: enwood electrode

12 : 캐소우드전극20 : 절연세라믹A12: cathode electrode 20: insulating ceramic A

30 : 절연세라믹B40 : 히트파이프 터미널A30: insulated ceramic B40: heat pipe terminal A

50 : 히트파이프60 : 히트파이프 터미널B50: heat pipe 60: heat pipe terminal B

70 : 방열판80 : 압력평형기70: heat sink 80: pressure balancer

90 : 스프링클램프90: spring clamp

본 고안은 철도차량의 부속장치에 관한 것으로 특히 대용량의 인버터에 사용되는 전력용 반도체를 용이하게 냉각시키는 철도차량용 인버터의 반도체 냉각장치에 관한 것이다.The present invention relates to an accessory of a railway vehicle, and more particularly to a semiconductor cooling apparatus of an inverter for railway vehicles that easily cools a power semiconductor used in a large capacity inverter.

일반적으로 철도차량에는 대부분 고압의 직류전원이 공급되며 주동력원으로 직류전원이 사용되지만 내부의 교류전원이 요구되는 형광등이나 에어콘과 같은 전기용품에는 교류 전원을 공급해야 하기 때문에 직류를 교류로 변환시켜 주어야 한다.In general, most of the railroad cars are supplied with high voltage DC power and DC power is used as the main power source.However, since AC power must be supplied to electric appliances such as fluorescent lamps and air conditioners that require internal AC power, DC must be converted to AC. do.

일반적으로 전류의 형태를 변환시켜주는 기능을 하는 인버터에 사용되는 전력용 반도체 스위칭 소자로서는 일반 싸이리스터나 GTO (Gate Turn-Off) 싸이리스터 등이 널리 사용된다.In general, a general thyristor, a gate turn-off (GTO) thyristor, or the like is widely used as a power semiconductor switching element used in an inverter having a function of converting a current form.

그런데 대용량의 전력용 반도체 소자는 대개 디스크형으로 되어 있어서 사용할때 일정한 압력을 가해주어야 하며 동작시 자체의 전력손실에 의하여 매우 많은 열이 발행하게 되므로 이를 식히기 위하여 방열판을 부착하여 냉각작용이 이루어지도록 한다.However, large-capacity power semiconductor devices are usually in the form of disks, so they must be given a certain pressure when they are used, and a lot of heat is generated due to their own power loss during operation. Therefore, a heat sink is attached to cool them. .

디스크형 반도체소자에 있어서는 소용량으로서 발열량이 적을 경우 첨부도면 제3도에 도시된 바와 같이 한쪽면에만 방열판(100)을 부착하여 사용하여도 무방하며 이와 같은 방식을 일면냉각방식 이라고 한다.In the case of a disk-type semiconductor device, when the heat generation amount is small and the heat generation amount is small, the heat sink 100 may be attached to only one side as shown in FIG. 3 and the same method is called a one-side cooling method.

즉 하나의 방열판(100)위에 열전도율이 좋은 절연세라믹(110)이 설치되고 그 위에 반도체소자(120)와 에노우드전극(121)및 캐소우드전극(122)이 위치하며 절연체(130)의 상부에서 압력평형기(140)와 스프링클램프(150)에 의해 반도체소자(120)가 일정한 압력을 받도록 설치된다.That is, an insulating ceramic 110 having good thermal conductivity is installed on one heat sink 100, and a semiconductor device 120, an enwood electrode 121, and a cathode electrode 122 are positioned on the heat sink 100. The semiconductor device 120 is installed to receive a constant pressure by the pressure balancer 140 and the spring clamp 150.

그러나 상기의 방법은 철도차량에서 소용량의 인버터에는 사용이 가능하지만 대용량 인번터의 경우에는 반도체에서 발생하는 발열량이 매우 크기 때문에 제4도에 도시된 바와 같은 2개의 방열판(100)을 사용하여 냉각효율을 높이는 양면냉각방식을 필요로 하게 된다.However, the above method can be used for a small-capacity inverter in a railroad car, but in the case of a large-capacity inverter, since the heat generated from the semiconductor is very large, it uses two heat sinks 100 as shown in FIG. It requires a double-sided cooling method to increase the.

그러나 이경우 발열량의 크기에 비례하여 방열판(100)의 규격도 커져야 되는데 철도차량의 인버터에 이를 적용할 경우 차량운행시에 발생되는 진동으로 인하여 제기능을 수행할 수 없다.However, in this case, the size of the heat dissipation plate 100 should be increased in proportion to the amount of heat generated, but when it is applied to an inverter of a railway vehicle, it cannot perform its function due to the vibration generated when the vehicle runs.

왜냐하면 방열판(100)을 견고하게 고정시켜 주기 위하여 양쪽 방열판(100)을 모두 고정시키게 되면 반도체소자(120)에 가해지는 압력을 일정하게 유지할 수 없게 되며, 어느 한쪽만을 고정시키게 되면 나머지 다른쪽이 진동으로 인하여 그 힘이 반도체소자(120)에 가해져서 이역시 반도체소자(120)의 압력을 일정하게 유지할 수 없게된다.If both heat sinks 100 are fixed to fix the heat sink 100 firmly, the pressure applied to the semiconductor device 120 cannot be kept constant, and if only one of them is fixed, the other side vibrates. As a result, the force is applied to the semiconductor device 120, and thus, the pressure of the semiconductor device 120 may not be kept constant.

따라서 이와 같은 방식은 철도차량용의 대용량으로는 적합하지 않으므로 거의 사용되지 않는다.Therefore, such a method is rarely used because it is not suitable as a large capacity for railway vehicles.

또 다른 양면 냉각 방식 으로서 제5도와 같이 하나의 큰 방열판(100)을 사용하되 디스크형 반도체소자(120)를 중앙부에 설치하고 양단에 각각 부속물A(160)와 부속물B(170)에 의하여 고정되도록 하는 방법이 있으나 이는 부속물A(160)와 부속물B(170)의 직각성 가공도에 따라 반도체 소자(120)에 가해지는 압력이 고르지 못하고 한쪽으로 기울게 되거나 아니면 부속물A(160)와 부속물B(170)가 방열판(100)에 완전밀착 되지 못하여 열전도성이 저하되므로 이역시 좋은 방법이 되지 못하였다.As another double-sided cooling method, one large heat sink 100 is used as shown in FIG. 5, but the disk-type semiconductor device 120 is installed at the center and fixed to each end by the appendages A 160 and B 170, respectively. However, according to the orthogonality of the attachment A 160 and the attachment B 170, the pressure applied to the semiconductor device 120 is uneven and inclined to one side or the attachment A 160 and the attachment B 170. ) Is not a good method at this time because the heat conductivity is lowered because it is not fully adhered to the heat sink (100).

특히 반도체소자 중에서도 GTO 싸이리스터의 경우에는 접합점의 제한온도가 낮아 방열설계가 까다롭고 에노우드전극측과 캐스우드전극측의 열저항이 약 1:2의 비율로서 캐소우드전극측의 열저항이 훨씬 크다.Especially in the case of GTO thyristors, among the semiconductor devices, the limiting temperature of the junction point is low, which makes the heat dissipation design difficult, and the thermal resistance of the anode and caswood electrodes is about 1: 2. Big.

이와 같은 경우 일면 냉각방식을 취할 때는 당연히 에노우전극측이 방열판에 부착되도록 하지만 제5도와 같이 양면 냉각 방식을 택할 경우 캐소우드전극측이 부속물A을 통하여 방열판에 닿게되는 반면 에노우드전극측은 방열판에 직접닿지 않고 부속물B를 통하여 방열판에 닿게되어 에노우드전극측의 냉각효과가 떨어지게 된다.In this case, when the one-side cooling method is used, the anode electrode side is naturally attached to the heat sink, but when the double-sided cooling method is selected as shown in FIG. 5, the cathode electrode side contacts the heat sink through the attachment A, while the enwood electrode side is connected to the heat sink. It is not directly in contact with the heat sink through the accessory B, the cooling effect on the side of the enwood electrode is reduced.

따라서 상기와 같은 냉각방식은 양면 냉각방식 일지라도 냉각효과는 반도체의 접합점으로부터 열저항을 고려해 볼때 일면 냉각방식에 비해 크게 향상되지 않는다.Therefore, even though the cooling method as described above is a double-sided cooling method, the cooling effect is not significantly improved compared to the one-side cooling method considering the thermal resistance from the junction of the semiconductor.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 고안에서는 발열량이 큰 전력용 반도체소자의 냉각이 원활하면서도 차량운행시에 발생하는 진동에 무관하게 사용될 수 있는 구조의 철도차량용 인버터의 반도체냉각장치를 제공하는데 그 목적이 있다.In order to solve the above problems, the present invention provides a semiconductor cooling device for an inverter for a railway vehicle having a structure that can be used regardless of vibration generated during driving of a vehicle while smoothly cooling power semiconductor devices having a large amount of heat. have.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 고안에서는 종래의 양면 냉각방식과는 달리 하나의 커다란 방열판에 반도체소자를 일면냉각 방식과 같이 부착하여 반도체소자의 일면은 직접 방열판을 통하여 냉각되도록 하고 그 상대측면은 열전도성이 우수한 히트파이프를 통하여 다시 방열판에 열이 전달되어 냉각이 이루어 지도록 함을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, in the present invention, unlike the conventional double-sided cooling method, the semiconductor device is attached to one large heat sink like a one-side cooling method so that one surface of the semiconductor device is directly cooled by the heat sink and the relative side thereof is thermoelectric. Heat is transferred to the heat sink again through the excellent heat pipe is characterized in that the cooling is made.

이하 첨부된 도면에 의거하여 본 고안을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

반도체소자(10)는 일면이 에노우드전극(11)과 열전도율이 좋은 절연세라믹A(20)에 의해서 방열판(70)에 고정된다.One surface of the semiconductor device 10 is fixed to the heat sink 70 by the enwood electrode 11 and the insulating ceramic A 20 having good thermal conductivity.

또한 반도체 소자(10)의 다른측면은 캐소우드전극(12)과 열전도성이 좋은 절연세라믹B(30)에 의해서 히트파이프 터미널A(40)에 밀착 설치된다.The other side of the semiconductor element 10 is closely attached to the heat pipe terminal A 40 by the cathode electrode 12 and the insulating ceramic B 30 having good thermal conductivity.

한편 히트파이프 터미널A(40)는 열전도성이 매우 좋은 히트파이프(50)를 통하여 방열판(70)에 밀착 설치된 히트파이프 터미널B(60)와 연결된다.On the other hand, the heat pipe terminal A (40) is connected to the heat pipe terminal B (60) in close contact with the heat sink (70) through the heat pipe (50) having excellent thermal conductivity.

이와 같은 본 고안의 반도체 소자(10)는 종래의 일면냉각방식에서와 같이 상부에서 스프링클램프(90)와 압력평형기(80)에 의해서 균일하게 일정압력으로 눌러주도록 구성 하였다.The semiconductor device 10 of the present invention is configured to be pressed at a constant pressure uniformly by the spring clamp 90 and the pressure balancer 80 from the top as in the conventional one-side cooling method.

이와 같이 구성된 본 고안에서는 반도체 소자(10)에서 발생되는 다량의 열은 일면냉각방식에서와 같이 반도체 소자(10)의 일면이 에노우드전극(11)과 절연세라믹A(20)를 통하여 방열판(70)에 직접 전해진다.In the present invention configured as described above, a large amount of heat generated by the semiconductor device 10 is heat sink 70 through one surface of the semiconductor device 10 through the enwood electrode 11 and the insulating ceramic A 20, as in the one-side cooling method. It is transmitted directly to).

또한 반도체 소자(10)의 다른 일면은 캐소우드전극(12)과 열전성이 좋은 절연세라믹B(30)을 통하여 히트파이프 터미널A(40)에 열이 전해진다.In addition, heat is transferred to the heat pipe terminal A 40 on the other surface of the semiconductor device 10 through the cathode electrode 12 and the insulating ceramic B 30 having good thermal conductivity.

히트파이프 터미널A(40)에서는 히트파이프(50)에 의해서 방열판(70)에 고정 설치된 히트파이프 터미널B(60)에 연결되어 열을 방출하도록 한다.The heat pipe terminal A 40 is connected to the heat pipe terminal B 60 fixed to the heat sink 70 by the heat pipe 50 to dissipate heat.

따라서 본 고안은 일면냉각방식과 동일하게 스프링클램프(90)와 압력평형기(80)에 의해 일정한 압력이 가해지므로서 철도차량등에 설치하여도 차량의 진동에 무관하게 작용될 수 있으며, 반도체 소자(10)의 양쪽면에서 동시에 방열기능이 있으므로 양면냉각방식과 같은 냉각 효과로서 냉각의 효율을 향상시킨다.Therefore, the present invention is a constant pressure is applied by the spring clamp 90 and the pressure balancer 80 in the same way as the one-side cooling method can be installed regardless of the vibration of the vehicle even if installed in a railway vehicle, semiconductor elements ( 10) Both sides of the heat dissipation function at the same time, so the cooling effect, such as double-sided cooling method improves the cooling efficiency.

이상 살펴본 바와 같이 본 고안의 냉각장치는 반도체소자의 에노우드전극측의 냉각효과를 떨어뜨리지 않고서도 캐소우드전극축의 냉각효과를 극대화 할 수 있어서 GTO 싸이리스터와 같은 반도체의 냉각장치에 있어서 특히 우수한 효과를 얻을 수 있다.As described above, the cooling device of the present invention can maximize the cooling effect of the cathode electrode shaft without deteriorating the cooling effect of the enode electrode side of the semiconductor device, which is particularly excellent in cooling devices of semiconductors such as GTO thyristors. Can be obtained.

또한 히트파이프는 그 특성상 열전달 특성이 매우 우수하며 구리재질의 동파이프이므로 유연성이 매우좋아 차량의 진동에 관계없이 반도체소자의 압력을 일정하게 유지하면서도 우수한 냉각효과를 얻을 수 있는 것으로서 대용량의 차량용 인버터에 사용되는 전력용 반도체를 용이하게 냉각시키는데 매우 효과적인 고안이다.In addition, heat pipes are excellent in heat transfer characteristics and copper pipes are made of copper, so the flexibility is very good. Therefore, the heat pipes can obtain excellent cooling effect while maintaining a constant pressure of semiconductor devices regardless of vehicle vibration. It is a very effective design to easily cool the power semiconductor used.

Claims

In the conventional semiconductor device cooling apparatus provided with a pressure balancer 80 and a spring clamp 90 for stacking the semiconductor element 10 and the insulator, etc. on one heat sink 70 and pressing it at a constant pressure from the top, The semiconductor device 10 is installed between the insulating ceramic A 20 and the insulating ceramic B 30, and radiates from one surface to the heat sink 70 through the insulating ceramic A 20, and the upper portion of the insulating ceramic B 30. A heat pipe terminal A 40 installed at the heat dissipating side of the semiconductor element 10; A heat pipe 50 having a very high thermal conductivity is installed between the heat pipe terminal A 60 connected to the heat pipe terminal A 40 and adhered to the heat sink 70, and the semiconductor of the inverter for railway vehicles. Chiller.