WO2020110202A1

WO2020110202A1 - 半導体装置

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Publication number: WO2020110202A1
Application number: PCT/JP2018/043611
Authority: WO
Inventors: 光生杉本
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
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Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2020-06-04
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Abstract

盤形状の筐体（１０２）は、吸気口（１１２Ａ）が形成された第１の面と、第１の面とは異なる第２の面とを有する。冷却ファン（８）は第２の面に設けられ、第２の面から排気する。仕切り板（１１０）は、筐体（１０２）の内部の空間を、第１の面に接する第１の空間（１０４）と、第２の面に接する第２の空間（１０６）とに仕切るように構成される。仕切り板（１１０）には、冷却ファン（８）により発生する冷却風が第１の空間（１０４）から第２の空間（１０６）に通り抜ける少なくとも１つの開口部（１１４Ａ，１１６Ａ，１１８Ａ）が形成されている。少なくとも１つの半導体ユニット（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）は、第１の空間（１０４）に配置され、冷却風により冷却される。リアクトルユニット（ＬＡ）は、少なくとも１つの開口部に対向するように第２の空間（１０６）に配置される。

Description

半導体装置

　本発明は、半導体装置に関する。

　特開２０１６－１９３２４号公報（特許文献１）には、半導体ユニットと、半導体ユニットを強制風冷により冷却する冷却構造とを備える半導体装置が開示される。特許文献１では、盤形状の筐体の内部に複数の半導体ユニットを垂直方向に配置し、冷却ファンにより上部から冷却風を排気する。

特開２０１６－１９３２４号公報

　上記特許文献１に記載される半導体装置において、筐体の内部の空間には半導体ユニット以外にリアクトルが実装されている。リアクトルは、半導体ユニットと同様に発熱する部品であるため、冷却が必要となる。

　リアクトルの熱設計では、一般的に、リアクトルの単位体積当たりの発熱量を抑えるために、線径の太い巻線を使用してリアクトルの電流密度を下げることが行なわれている。または、放熱面積を稼ぐために、リアクトルの巻き数を増やすことが行なわれている。しかしながら、これらの対策はリアクトルの大型化および重量化に繋がるとともに、コストの上昇を招くことが懸念される。

　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、装置を大型化および重量化することなく、リアクトルの放熱性を向上させることが可能な半導体装置を提供することである。

　この発明のある局面によれば、半導体装置は、吸気口が形成された第１の面と第１の面とは異なる第２の面とを有する盤形状の筐体と、第２の面に設けられ、第２の面から排気する冷却ファンと、筐体の内部の空間を、第１の面に接する第１の空間と、第２の面に接する第２の空間とに仕切るように構成された仕切り板とを備える。仕切り板には、冷却ファンにより発生する冷却風が第１の空間から第２の空間に通り抜ける少なくとも１つの開口部が形成されている。半導体装置は、さらに、第１の空間に配置され、冷却風により冷却される少なくとも１つの半導体ユニットと、少なくとも１つの開口部に対向するように第２の空間に配置されるリアクトルユニットとを備える。

　本発明によれば、装置を大型化および重量化することなく、リアクトルの放熱性を向上させることができる半導体装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る無停電電源装置の構成を示す回路ブロック図である。図１に示したコンバータおよびインバータの構成を示す回路図である。無停電電源装置の側方断面図である。図３のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である。仕切り板の外形図である。本発明の実施の形態の第１の変形例に係る無停電電源装置の側方断面図である。本発明の実施の形態の第２の変形例に係る無停電電源装置の側方断面図である。図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線に沿った断面図である。

　以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。

　図１は、本発明の実施の形態に係る半導体装置が適用され得る無停電電源装置の構成を示す回路ブロック図である。図１を参照して、無停電電源装置１００は、交流入力端子５ａ～５ｃ、コンデンサＣ１～Ｃ６、リアクトルＬ１～Ｌ６、コンバータ１、直流ラインＰＬ，ＮＬ、インバータ２、交流出力端子６ａ～６ｃ、および制御装置４を備える。無停電電源装置１００は、商用交流電源５から商用周波数の三相交流電力を受け、負荷６に商用周波数の三相交流電力を供給する。

　商用交流電源５は、三相３線式であり、交流入力端子５ａ～５ｃに三相交流電圧を出力する。負荷６は、三相３線式であり、交流出力端子６ａ～６ｃに接続される。

　コンデンサＣ１～Ｃ３の一方電極は交流入力端子５ａ～５ｃにそれぞれ接続され、それらの他方電極はともにノードＮＰに接続される。リアクトルＬ１～Ｌ３の一方端子は交流入力端子５ａ～５ｃにそれぞれ接続され、それらの他方端子はコンバータ１の入力ノードにそれぞれ接続される。

　コンデンサＣ１～Ｃ３およびリアクトルＬ１～Ｌ３は、低域通過フィルタを構成し、商用交流電源５からコンバータ１に商用周波数の交流電流を流し、コンバータ１から商用交流電源５にスイッチング周波数の信号が流れることを防止する。

　商用交流電源５からの三相交流電圧（交流入力電圧）の瞬時値は、制御装置４によって検出される。図示しない電流検出器は、リアクトルＬ１～Ｌ３に流れる交流電流（交流入力電流）を検出し、検出値を示す信号を制御装置４に与える。

　コンバータ１の正側出力ノードは、直流ラインＰＬを介してインバータ２の正側入力ノードに接続される。コンバータ１の負側出力ノードは、直流ラインＮＬを介してインバータ２の負側入力ノードに接続される。

　直流ラインＰＬ，ＮＬ間に、バッテリ７（電力貯蔵装置）が接続される。バッテリ７は、直流電力を蓄える。バッテリ７の代わりにコンデンサが接続されていても構わない。直流ラインＰＬ，ＮＬ間の直流電圧は、制御装置４によって検出される。

　コンバータ１は、制御装置４によって制御され、商用交流電源５から三相交流電力が正常に供給されている健全時には、商用交流電源５からの三相交流電力を直流電力に変換する。コンバータ１によって生成された直流電力は、直流ラインＰＬ，ＮＬを介してインバータ２に供給されるとともに、バッテリ７に蓄えられる。

　このときコンバータ１は、直流ラインＰＬ，ＮＬ間の直流電圧が所定の参照直流電圧になるように、電流を出力する。これにより、直流電圧は一定に保たれる。商用交流電源５からの三相交流電力の供給が停止された停電時には、コンバータ１の運転は停止される。

　インバータ２は、制御装置４によって制御され、商用交流電源５から三相交流電力が正常に供給されている健全時には、コンバータ１からの直流電力を商用周波数の三相交流電力に変換する。また、インバータ２は、商用交流電源５からの三相交流電力の供給が停止された停電時には、バッテリ７の直流電力を商用周波数の三相交流電力に変換する。

　インバータ２の３つの出力ノードは、リアクトルＬ４～Ｌ６の一方端子にそれぞれ接続される。リアクトルＬ４～Ｌ６の他方端子はスイッチＳ１～Ｓ３の一方端子にそれぞれ接続され、スイッチＳ１～Ｓ３の他方端子は交流出力端子６ａ～６ｃにそれぞれ接続される。コンデンサＣ４～Ｃ６の一方電極はリアクトルＬ４～Ｌ６の他方端子にそれぞれ接続され、コンデンサＣ４～Ｃ６の他方電極はともにノードＮＰに接続される。

　コンデンサＣ４～Ｃ６およびリアクトルＬ４～Ｌ６は、低域通過フィルタを構成し、インバータ２から負荷６に商用周波数の交流電流を流し、インバータ２から負荷６にスイッチング周波数の信号が流れることを防止する。換言すると、コンデンサＣ４～Ｃ６およびリアクトルＬ４～Ｌ６は、インバータ２から出力される三相矩形波電圧を正弦波状の三相交流電圧（交流出力電圧）に変換する。

　交流出力電圧の瞬時値は、制御装置４によって検出される。図示しない電流検出器は、リアクトルＬ４～Ｌ６に流れる交流電流（交流出力電流）を検出し、検出値を示す信号を制御装置４に与える。

　スイッチＳ４～Ｓ６の一方端子は交流入力端子５ａ～５ｃにそれぞれ接続され、それらの他方端子は交流出力端子６ａ～６ｃにそれぞれ接続される。スイッチＳ１～Ｓ６は、制御装置４によって制御される。

　インバータ２によって生成される三相交流電力を負荷６に供給するインバータ給電モード時には、スイッチＳ１～Ｓ３がオンされるとともに、スイッチＳ４～Ｓ６がオフされる。商用交流電源５からの三相交流電力を負荷６に供給するバイパス給電モード時には、スイッチＳ１～Ｓ３がオフされるとともに、スイッチＳ４～Ｓ６がオンされる。

　制御装置４は、交流入力電圧、交流入力電流、直流電圧、交流出力電流、および交流出力電圧などに基づいて無停電電源装置１００全体を制御する。すなわち、制御装置４は、交流入力電圧の検出値に基づいて停電が発生したか否かを検出する。

　制御装置４は、商用交流電源５から三相交流電力が供給されている健全時は、インバータ給電モードを選択し、スイッチＳ１～Ｓ３をオンさせるとともに、スイッチＳ４～Ｓ６をオフさせる。これにより、コンバータ１で生成された直流電力がインバータ２によって三相交流電力に変換され、その三相交流電力がスイッチＳ１～Ｓ３を介して負荷６に供給される。

　制御装置４は、商用交流電源５からの三相交流電力の供給が停止された停電時は、コンバータ１の運転を停止させる。これにより、バッテリ７の直流電力がインバータ２によって三相交流電力に変換され、その三相交流電力がスイッチＳ１～Ｓ３を介して負荷６に供給される。バッテリ７の端子間電圧が放電終止電圧に低下した場合は、制御装置４は、さらにインバータ２の運転を停止させ、スイッチＳ１～Ｓ３をオフさせる。

　商用交流電源５の健全時においてインバータ２が故障した場合には、制御装置４は、バイパス給電モードを選択し、スイッチＳ４～Ｓ６をオン状態に維持しながら、スイッチＳ１～Ｓ３をオフさせる。これにより、商用交流電源５から負荷６に三相交流電力が供給される。

　図２は、図１に示したコンバータ１およびインバータ２の構成を示す回路図である。図２では、スイッチＳ１～Ｓ６および制御装置４の図示は省略されている。

　図２を参照して、コンバータ１は、ＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）Ｑ１～Ｑ６、ダイオードＤ１～Ｄ６、コンデンサＣ１Ａ～Ｃ１Ｃ、およびヒューズＦ１～Ｆ６を含む。図２では、電力用半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」とも称する）としてＩＧＢＴを用いているが、ＭＯＳＦＥＴ（Metal　Oxide　Semiconductor　Field　Effect　Transistor）などの任意の自己消弧型のスイッチング素子を用いることができる。

　ＩＧＢＴＱ１～Ｑ３のコレクタはともに直流ラインＰＬに接続され、それらのエミッタはそれぞれリアクトルＬ１～Ｌ３の他方端子に接続される。ＩＧＢＴＱ４～Ｑ６のコレクタはそれぞれリアクトルＬ１～Ｌ３の他方端子に接続され、それらのエミッタはともに直流ラインＮＬに接続される。

　ダイオードＤ１～Ｄ６の各々は、対応するスイッチング素子のオフ時にフリーホイール電流を流すために設けられている。スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴである場合、フリーホイールダイオードは寄生のダイオード（ボディダイオード）で構成される。スイッチング素子がダイオードを内蔵しないＩＧＢＴである場合、フリーホイールダイオードはＩＧＢＴに逆並列に接続されたダイオードで構成される。

　ヒューズＦ１，Ｆ３，Ｆ５は、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ３，Ｑ５のコレクタと直流ラインＰＬとの間にそれぞれ接続される。ヒューズＦ２，Ｆ４，Ｆ６は、ＩＧＢＴＱ２，Ｑ４，Ｑ６のエミッタと直流ラインＮＬとの間にそれぞれ接続される。

　コンデンサＣ１Ａは、ＩＧＢＴＱ１のコレクタとＩＧＢＴＱ２のエミッタとの間に接続される。コンデンサＣ１Ｂは、ＩＧＢＴＱ３のコレクタとＩＧＢＴＱ４のエミッタとの間に接続される。コンデンサＣ１Ｃは、ＩＧＢＴＱ５のコレクタとＩＧＢＴＱ６のエミッタとの間に接続される。コンデンサＣ１Ａ～Ｃ１Ｃの各々は、直流ラインＰＬおよびＮＬ間に入力された直流電圧を平滑化する。

　ＩＧＢＴＱ１，Ｑ４はそれぞれゲート信号Ａｕ，Ｂｕによって制御され、ＩＧＢＴＱ２，Ｑ５はそれぞれゲート信号Ａｖ，Ｂｖによって制御され、ＩＧＢＴＱ３，Ｑ６はそれぞれゲート信号Ａｗ，Ｂｗによって制御される。ゲート信号Ｂｕ，Ｂｖ，Ｂｗは、それぞれゲート信号Ａｕ，Ａｖ，Ａｗの反転信号である。ゲート信号Ａｕ，Ｂｕ，Ａｖ，Ｂｖ，Ａｗ，Ｂｗの各々は、パルス信号列であり、ＰＷＭ（Pulse　Width　Modulation）信号である。ゲート信号Ａｕ，Ｂｕの位相とゲート信号Ａｖ，Ｂｖの位相とゲート信号Ａｗ，Ｂｗの位相とは１２０度ずつずれている。ゲート信号Ａｕ，Ｂｕ，Ａｖ，Ｂｖ，Ａｗ，Ｂｗは、制御装置４によって生成される。ゲート信号Ａｕ，Ｂｕ，Ａｖ，Ｂｖ，Ａｗ，ＢｗによってＩＧＢＴＱ１～Ｑ６の各々を所定のタイミングでオンおよびオフさせるとともに、ＩＧＢＴＱ１～Ｑ６の各々のオン時間を調整することにより、交流入力端子５ａ～５ｃに与えられた三相交流電圧を直流電圧に変換することが可能となっている。

　インバータ２は、ＩＧＢＴＱ１１～Ｑ１６、ダイオードＤ１１～Ｄ１６、コンデンサＣ２Ａ～Ｃ２Ｃ、およびヒューズＦ１１～Ｆ１６を含む。ＩＧＢＴＱ１１，Ｑ１３，Ｑ１５のコレクタはともに直流ラインＰＬに接続され、それらのエミッタはそれぞれリアクトルＬ４～Ｌ６の一方端子に接続される。ＩＧＢＴＱ１２，Ｑ１４，Ｑ１６のコレクタはそれぞれリアクトルＬ４～Ｌ６の一方端子に接続され、それらのエミッタはともに直流ラインＮＬに接続される。ダイオードＤ１１～Ｄ１６の各々は、対応するスイッチング素子のオフ時にフリーホイール電流を流すために設けられている。

　ＩＧＢＴＱ１１，Ｑ１２はそれぞれゲート信号Ｘｕ，Ｙｕによって制御され、ＩＧＢＴＱ１３，Ｑ１４はそれぞれゲート信号Ｘｖ，Ｙｖによって制御され、ＩＧＢＴＱ１５，Ｑ１６はそれぞれゲート信号Ｘｗ，Ｙｗによって制御される。ゲート信号Ｙｕ，Ｙｖ，Ｙｗは、それぞれゲート信号Ｘｕ，Ｘｖ，Ｘｗの反転信号である。ゲート信号Ｘｕ，Ｙｕ，Ｘｖ，Ｙｖ，Ｘｗ，Ｙｗの各々は、パルス信号列であり、ＰＷＭ信号である。ゲート信号Ｘｕ，Ｙｕの位相とゲート信号Ｘｖ，Ｙｖの位相とゲート信号Ｘｗ，Ｙｗの位相とは１２０度ずつずれている。ゲート信号Ｘｕ，Ｙｕ，Ｘｖ，Ｙｖ，Ｘｗ，Ｙｗは、制御装置４によって生成される。ゲート信号Ｘｕ，Ｙｕ，Ｘｖ，Ｙｖ，Ｘｗ，ＹｗによってＩＧＢＴＱ１１～Ｑ１６の各々を所定のタイミングでオンおよびオフさせるとともに、ＩＧＢＴＱ１１～Ｑ１６の各々のオン時間を調整することにより、直流ラインＰＬ，ＮＬ間の直流電圧を三相交流電圧に変換することが可能となっている。

　図２に示した構成において、ＩＧＢＴＱ１，Ｑ２、ダイオードＤ１，Ｄ２、ヒューズＦ１，Ｆ２およびコンデンサＣ１Ａは、１つの半導体ユニット１Ａで構成されている。ＩＧＢＴＱ３，Ｑ４、ダイオードＤ３，Ｄ４、ヒューズＦ３，Ｆ４およびコンデンサＣ１Ｂは、半導体ユニット１Ｂで構成されている。ＩＧＢＴＱ５，Ｑ６、ダイオードＤ５，Ｄ６、ヒューズＦ５，Ｆ６およびコンデンサＣ１Ｃは、半導体ユニット１Ｃで構成されている。

　ＩＧＢＴＱ１１，Ｑ１２、ダイオードＤ１１，Ｄ１２、ヒューズＦ１１，Ｆ１２およびコンデンサＣ２Ａは、半導体ユニット２Ａで構成されている。ＩＧＢＴＱ１３，Ｑ１４、ダイオードＤ１３，Ｄ１４、ヒューズＦ１３，Ｆ１４およびコンデンサＣ２Ｂは、半導体ユニット２Ｂで構成されている。ＩＧＢＴＱ１５，Ｑ１６、ダイオードＤ１５，Ｄ１６、ヒューズＦ１５，Ｆ１６およびコンデンサＣ２Ｃは、半導体ユニット２Ｃで構成されている。

　半導体ユニット１Ａ～１Ｃ，２Ａ～２Ｃの各々は、平面状の基板上に、ＩＧＢＴおよびダイオードからなるスイッチング素子が２つ実装された構成を有している。ＩＧＢＴおよびダイオードは、ボンディングワイヤまたは導電体からなる配線層によって電気的に接続されている。ＩＧＢＴおよびダイオードは、基板および配線層などとともに樹脂により封止されている。コンデンサは基板に隣接して設置される。

　半導体ユニット１Ａ～１Ｃ，２Ａ～２Ｃの各々は、その動作中にスイッチング素子に導通損失およびスイッチング損失からなる電力損失が発生する。その電力損失によりスイッチング素子が発熱する。

　図１に示すように、無停電電源装置１００は、半導体ユニット１Ａ～１Ｃ，２Ａ～２Ｃを冷却するための構成として、冷却ファン８を備える。冷却ファン８は、インバータ２から三相交流電力の供給を受けて駆動する。冷却ファン８による強制風冷により半導体ユニット１Ａ～１Ｃ，２Ａ～２Ｃを冷却する。

　次に、図３を参照して、無停電電源装置１００の構成について説明する。
　図３は、無停電電源装置１００の側方断面図である。図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である。

　図３に示すように、無停電電源装置１００は、盤形状（直方体形状）の筐体１０２の内部に構成部品が収納された構成を有している。具体的には、筐体１０２の内部には、半導体ユニット１Ａ～１Ｃ，２Ａ～２Ｃ、コンデンサユニット１８、遮断器ユニット１６、制御ユニット１４、およびリアクトルユニットＬＡ，ＬＢが実装されている。なお、筐体１０２の内部には、これらのユニットの他にも図１に示した電気回路を構成する素子および機器などが実装されているが、ここでは省略する。

　筐体１０２の内部は、大半の構成部品が実装された空間１０４と、冷却風が通り抜ける風洞としての役割を持つ空間１０６とに分けられている。空間１０４は無停電電源装置１００の前面側（紙面左側）に配置され、空間１０６は背面側（紙面右側）に配置されている。筐体１０２の上面（天井面）には冷却ファン８が設けられている。空間１０４と空間１０６とは仕切り板１１０によって仕切られている。筐体１０２の前面は「第１の面」の一実施例に対応し、筐体１０２の上面は「第２の面」の一実施例に対応する。空間１０４は「第１の空間」の一実施例に対応し、空間１０６は「第２の空間」の一実施例に対応する。

　半導体ユニット１Ａ～１Ｃ，２Ａ～２Ｃは全てほぼ同じ形状を有している。図３の例では、半導体ユニットは直方体形状を有している。半導体ユニット１Ａ～１Ｃ，２Ａ～２Ｃは空間１０４の下側に配置されている。図３では示されていないが、半導体ユニット２Ａ～２Ｃは、半導体ユニット１Ａ～１Ｃと水平方向（紙面奥行方向に相当）に隣接して配置されている。

　各半導体ユニットにおいて、スイッチング素子１０は薄板形状を有する。スイッチング素子１０は、冷却フィン１２上に配置されている。冷却フィン１２は、各半導体ユニットの背面側に実装されている。各半導体ユニットは、前面側から背面側に冷却風が通り抜ける構造である。図中の矢印は冷却風の流れを示している。冷却フィン１２が冷却風により冷却されることで、スイッチング素子１０が冷却される。

　各半導体ユニットの前面は筐体１０２の前面に近接し、各半導体ユニットの背面は仕切り板１１０に近接している。半導体ユニット１Ａ～１Ｃは、垂直方向に配置されており、各半導体ユニットの間には隙間がある。図３の例では、半導体ユニット１Ｃは、筐体１０２の底面に設置されている。半導体ユニット１Ｂは、半導体ユニット１Ｃの上に設置されている。半導体ユニット１Ａは、半導体ユニット１Ｂの上に設置されている。

　コンデンサユニット１８は、図１に示したコンデンサＣ１～Ｃ６が収納されたユニットである。制御ユニット１４は、図１に示した制御装置４を構成する基板等が実装されたユニットである。遮断器ユニット１６は、図１に示したスイッチＳ１～Ｓ６が収納されたユニットである。コンデンサユニット１８、遮断器ユニット１６および制御ユニット１４は、空間１０４の半導体ユニット１Ａの上方に設置されている。

　筐体１０２には、冷却風の吸気口１１２Ａ，１１２Ｂが形成されている。吸気口１１２Ａは、筐体１０２の前面の下部に、半導体ユニット１Ａ～１Ｃが位置する箇所に形成されている。吸気口１１２Ｂは、筐体１０２の前面の下部に、半導体ユニット２Ａ～２Ｃが位置する箇所に形成されている。

　仕切り板１１０には、６つの開口部１１４Ａ，１１６Ａ，１１８Ａ，１１４Ｂ，１１６Ｂ，１１８Ｂが形成されている。図５は、仕切り板１１０の外形図である。各開口部は、各半導体ユニットの背面に位置する部分に対応して配置されている。図３の例では、半導体ユニット１Ａの背面に位置する部分に開口部１１４Ａが配置され、半導体ユニット１Ｂの背面に位置する部分に開口部１１６Ａが配置され、半導体ユニット１Ｃの背面に位置する部分に開口部１１８Ａが配置されている。図示は省略するが、半導体ユニット２Ａの背面に位置する部分に開口部１１４Ｂが配置され、半導体ユニット２Ｂの背面に位置する部分に開口部１１６Ｂが配置され、半導体ユニット２Ｃの背面に位置する部分に開口部１１８Ｂが配置されている。

　図３および図４に矢印で示すように、吸気口１１２Ａから取り込まれた冷却風は、半導体ユニット１Ａ～１Ｃの冷却フィン１２を冷却するように通り抜け、仕切り板１１０の開口部１１４Ａ，１１６Ａ，１１８Ａから空間１０６に排出される。空間１０６に排出された冷却風は上向きに流れ、冷却ファン８から筐体１０２の外部へ排出される。

　リアクトルユニットＬＡは、図１に示したリアクトルＬ１～Ｌ３が収納されたユニットである。リアクトルユニットＬＢは、図１に示したリアクトルＬ４～Ｌ６が収納されたユニットである。リアクトルＬ１～Ｌ６の各々は、コイルと、当該コイルから延びる導線の端部に設けられた端子とを有する。

　リアクトルユニットＬＡ，ＬＢの各々は、例えば直方体形状または円柱形状を有している。リアクトルユニットＬＡ，ＬＢは空間１０６に設置されている。すなわち、リアクトルユニットＬＡ，ＬＢは、半導体ユニット１Ａ～１Ｃ，２Ａ～２Ｃを冷却した冷却風の風洞に配置される。

　具体的には、図４に示すように、リアクトルユニットＬＡは、仕切り板１１０の開口部１１４Ａ，１１６Ａ，１１８Ａの少なくとも１つに対向するように配置される。リアクトルユニットＬＢは、仕切り板１１０の開口部１１４Ｂ，１１６Ｂ，１１８Ｂの少なくとも１つに対向するように配置される。図３の例では、リアクトルユニットＬＡは、開口部１１４Ａに対向するように配置されている。リアクトルユニットＬＢは、開口部１１４Ｂに対向するように配置されている。

　このような構成とすることにより、開口部１１４Ａから排出された冷却風をリアクトルユニットＬＡに直接的に当てることができる。同様に、開口部１１４Ｂから排出された冷却風をリアクトルユニットＬＢに直接的に当てることができる。

　リアクトルの熱設計では、一般的に、リアクトルの単位体積当たりの発熱量を抑えるために、線径の太い巻線を使用してコイルを形成することでリアクトルの電流密度を下げることが行なわれている。または、放熱面積を稼ぐために、リアクトルの巻き数を増やすことが行なわれている。しかしながら、これらの対策はリアクトルの大型化および重量化に繋がるとともに、コストの上昇を招くことが懸念される。リアクトルの小型軽量化および低コスト化のためには、リアクトルの放熱性を向上させることが求められる。

　本実施の形態では、リアクトルユニットＬＡ，ＬＢに直接的に冷却風を当てることにより、リアクトルの放熱性を高めることができる。これにより、リアクトルの大型化および重量化ならびにコスト上昇を抑制することができる。

　なお、図３および図４の例では、リアクトルユニットＬＡ，ＬＢを、各々の端子部２０が開口部１１６Ａ，１１６Ｂにそれぞれ対向するように配置している。端子部２０は、各リアクトルユニットに収納されるリアクトルのコイルから延びる導線の端部に設けられる端子で構成されており、リアクトルユニットの外部に突き出している。したがって、リアクトルで発生した熱を端子部２０から外部へ伝えることができる。すなわち、端子部２０はリアクトルの放熱部材として機能し得る。この端子部２０に直接的に冷却風を当てることにより、リアクトルの放熱性を高めることができる。

　以上説明したように、本実施の形態に係る半導体装置によれば、半導体ユニットの冷却風をリアクトルユニットに直接的に当てることにより、リアクトルの放熱性を向上させることができる。これにより、リアクトルの熱設計が簡易化されるため、リアクトルを小型軽量化および低コスト化を実現することができる。

　＜変形例１＞
　上述した実施の形態では、リアクトルユニットＬＡを、３つの開口部１１４Ａ，１１６Ａ，１１８Ａのうち少なくとも１つに対向するように配置する構成について説明した。

　ただし、開口部１１４Ａ，１１６Ａ，１１８Ａから排出される冷却風の風速にばらつきが存在する場合には、冷却風の風速が最も速い開口部に対向するようにリアクトルユニットを配置する構成としてもよい。

　図６は、本発明の実施の形態の第１の変形例に係る無停電電源装置１００の側方断面図である。図６では、開口部１１４Ａ，１１６Ａ，１１８Ａのうち開口部１１６Ａが冷却風の風速が最も速い場合を想定している。したがって、開口部１１６Ａに対向するようにリアクトルユニットＬＡを配置している。

　図６のように、冷却風の風速にばらつきがある場合、全ての半導体ユニット１Ａ～１Ｃを十分に冷却するためには、最も風速が遅い半導体ユニットが十分に冷却されるように冷却ファン８が選定される。そのため、最も風速が速い半導体ユニット１Ｂに対しては、必要以上に速い風速の冷却風が流れることになる。すなわち、冷却ファン８は余分なエネルギーを消費していることになる。

　図６の例では、最も風速が速い冷却風をリアクトルユニットＬＡに当てることにより、余分なエネルギーをリアクトルの冷却に活用することができる。これによると、リアクトルを冷却するためのエネルギー消費を抑えることができるため、半導体ユニットおよびリアクトルを効率良く冷却することができる。

　＜変形例２＞
　上述した実施の形態では、リアクトルユニットＬＡ，ＬＢの端子部２０に冷却風を当てる構成について説明した。しかしながら、筐体１０２内部のレイアウトおよびリアクトルユニットの形状によっては、仕切り板１１０の開口部に端子部２０が対向するようにリアクトルユニットを配置することが困難となる場合がある。このような場合には、リアクトルユニットＬＡ，ＬＢに放熱板（ヒートシンク）を接合し、放熱板に冷却風を当てる構成を採用してもよい。

　図７は、本発明の実施の形態の第２の変形例に係る無停電電源装置１００の側方断面図である。図８は、図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線に沿った断面図である。

　図７を参照して、リアクトルユニットＬＡの開口部側の側面には放熱板２２が接合されている。放熱板２２は、例えば矩形の平面形状を有している。放熱板２２は、冷却フィンを有していてもよい。放熱板２２は、リアクトルユニットＬＡと熱的に接続されていればよい。リアクトルからの発熱は、放熱板２２を介してリアクトルユニットＬＡの外部に放出される。

　リアクトルユニットＬＡ，ＬＢは、放熱板２２が開口部に対向するように配置されている。図７および図８の例では、リアクトルユニットＬＡは、放熱板２２が開口部１１４Ａに対向するように配置され、リアクトルユニットＬＢは、放熱板２２が開口部１１４Ｂに対向するように配置されている。これにより、放熱板２２に直列的に冷却風を当てることができるため、リアクトルの放熱性を高めることができる。

　なお、図示は省略するが、放熱板２２をリアクトルユニットの端子部２０と近接して配置することで、放熱板２２および端子部２０の双方に冷却風を直接的に当てることができる。したがって、リアクトルの放熱性をさらに高めることが可能となる。

　上述した実施の形態では、リアクトルが実装されたリアクトルユニットを冷却風で冷却するための構成について説明したが、無停電電源装置がトランスを有する場合には、トランスについても本実施の形態および変更例で示した構成を適用することで、トランスの放熱性を向上させることができる。

　また、本実施の形態では、リアクトルユニットＬＡ，ＬＢの冷却について主に説明したが、制御ユニット、コンデンサユニットおよび遮断器ユニットなどの他の構成部品についても、実施の形態で説明した構成を適用することで、放熱性を高めることができる。

　また、本実施の形態では、三段積みの半導体ユニットの構成について説明したが、半導体ユニットは必ずしも多段積みでなくてもよい。また、開口部はいくつでもよい。半導体ユニットに対応して設けられた開口部に対向するようにリアクトルユニットを配置することで、リアクトルの放熱性を高めることができる。

　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１　コンバータ、２　インバータ、４　制御装置、５　商用交流電源、５ａ～５ｃ　交流入力端子、６　負荷、６ａ～６ｃ　交流出力端子、７　バッテリ、８　冷却ファン、１０　スイッチング素子、１２　冷却フィン、１４　制御ユニット、１６　遮断器ユニット、１８　コンデンサユニット、２０　端子部、２２　放熱板、１００　無停電電源装置、１０２　筐体、１０４，１０６　空間、１１０　仕切り板、１１２Ａ，１１２Ｂ　吸気口、１１４Ａ，１１４Ｂ，１１６Ａ，１１６Ｂ，１１８Ａ，１１８Ｂ　開口部、Ｃ１～Ｃ６，Ｃ１Ａ～Ｃ１Ｃ，Ｃ２Ａ～Ｃ２Ｃ　コンデンサ、Ｌ１～Ｌ６　リアクトル、ＬＡ，ＬＢ　リアクトルユニット、Ｑ１～Ｑ６，Ｑ１１～Ｑ１６　ＩＧＢＴ、Ｄ１～Ｄ６　ダイオード、Ｆ１～Ｆ６，Ｆ１１～Ｆ１６　ヒューズ，Ｓ１～Ｓ６　スイッチ。

Claims

　吸気口が形成された第１の面と、前記第１の面とは異なる第２の面とを有する盤形状の筐体と、
　前記第２の面に設けられ、前記第２の面から排気する冷却ファンと、
　前記筐体の内部の空間を、前記第１の面に接する第１の空間と、前記第２の面に接する第２の空間とに仕切るように構成された仕切り板とを備え、
　前記仕切り板には、前記冷却ファンにより発生する冷却風が前記第１の空間から前記第２の空間に通り抜ける少なくとも１つの開口部が形成されており、
　前記第１の空間に配置され、前記冷却風により冷却される少なくとも１つの半導体ユニットと、
　前記少なくとも１つの開口部に対向するように前記第２の空間に配置され、リアクトルを収納するリアクトルユニットとをさらに備える、半導体装置。
　前記少なくとも１つの開口部は、複数の開口部であり、
　前記リアクトルユニットは、前記複数の開口部のうち冷却風の風速が最も速い開口部に対向するように配置される、請求項１に記載の半導体装置。
　前記リアクトルユニットは、前記リアクトルの端子を含む端子部を有しており、
　前記リアクトルユニットは、前記端子部が前記開口部に対向するように配置される、請求項１または２に記載の半導体装置。
　前記リアクトルユニットに熱的に接続された放熱板をさらに備え、
　前記リアクトルユニットは、前記放熱板が前記開口部に対向するように配置される、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
　前記仕切り板において、前記少なくとも１つの開口部は、前記少なくとも１つの半導体ユニットにそれぞれ対応するように配置され、
　前記リアクトルユニットは、前記少なくとも１つの開口部に対向するように配置される、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置。