JP2000245155A - 電力変換装置の半導体スタック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】装置の小形化を図ること。 【解決手段】半導体素子１を複数個組合わせて電力変換
回路の１相分が構成され、鉄道車両の床下に設置して用
いられる電力変換装置の半導体スタックにおいて、電力
変換回路の１相分の半導体素子１を、複数個のヒートパ
イプ式冷却器２と共にほぼ上下方向に積層、圧接し、装
置本体の密閉部分に、半導体素子１とヒートパイプ式冷
却器２の蒸発部ブロックとが積層されたスタック部分を
その圧接軸方向がほぼ上下方向となるように収納し、装
置本体の開放部分に、複数個のヒートパイプ式冷却器２
の放熱部分を収納する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子を複数
個組合わせて電力変換回路（インバータ回路あるいはコ
ンバータ回路）の１相分が構成され、例えば鉄道車両の
床下に設置して用いられる電力変換装置の半導体スタッ
クに係り、特に装置の小形化を図れるようにした電力変
換装置の半導体スタックに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、例えば鉄道車両用の電力変換
装置は、車両床下の限られたスペースに設置されること
から、装置の小形化が極めて重要である。

【０００３】一般に、半導体素子の冷却には、冷媒の相
変化を利用した沸騰冷却方式、あるいはヒートパイプ冷
却方式が採用されており、冷却器の高効率化を図るよう
にしている。

【０００４】しかしながら、これらの冷却方式も、放熱
フィンから大気への熱放散に関しては、保守の軽減の目
的から、ファン等による強制空冷を用いずに、自然対流
によって放熱することが多く、放熱部分の体積が装置の
大きさを決める大きな要因になっている。

【０００５】一般的に、沸騰冷却方式の半導体スタック
では、冷却器に封入された冷媒の相変化によって、半導
体素子から発生する熱を効率良く外気へ排出するように
している。

【０００６】冷却器の蒸発側で、半導体素子から発生す
る熱によって冷媒は気化し、それが冷却器の凝縮側へ熱
輸送され、凝縮器で冷媒は凝縮し、この熱が凝縮部の放
熱フィンより外気に熱放散される。

【０００７】そして、凝縮し液化した冷媒は、蒸発側へ
戻り、再びかかるサイクルを繰り返す。

【０００８】液化した冷媒は重力によって蒸発側へ戻る
ので、冷却器の構成としては、下方に蒸発部、上方に凝
縮部の構成となる。

【０００９】また、自然冷却方式では、大気への熱放散
を効率良く行なうことを考慮して、装置の車体側方側に
冷却器の凝縮部を配置するようにしているのが一般的で
あり、装置の車体側方側を外気と通する開放室として、
冷却器の凝縮部を収納し、装置の車体中央側を密閉室と
して、半導体素子スタック、冷却器の蒸発部を収納する
ことになる。

【００１０】ここで、前述のように、凝縮部と蒸発部と
の位置関係は、凝縮部よりも下方に蒸発部が位置するこ
とになるため、凝縮部の大きさを確保するには、蒸発部
の高さ方向の寸法を小さくする必要がある。

【００１１】そこで、平形半導体素子を積層するスタッ
クでは、スタック軸を水平方向にして、蒸発部の高さを
極力抑えた構成としている。

【００１２】また、凝縮部と蒸発部とを接続する冷媒通
路部を水平に近い形で構成しているのも、この目的故で
ある。

【００１３】ヒートパイプ方式も、冷媒の相変化を利用
した冷却方式であるため、疑縮部と蒸発部との上下の位
置関係、装置へ収納する際の、装置車体側方側、装置車
体中央側の冷却器の基本的な配置は同じである。

【００１４】以下、図８（ａ）乃至（ｃ）を用いて、従
来の電力変換装置の半導体スタックについて説明する。

【００１５】図８（ａ）は従来の電力変換装置の半導体
スタックの構成例を示す斜視図、図８（ｂ）は同図８
（ａ）のＸ矢視図（正面図）、図８（ｃ）は同図８
（ｂ）の２断面図（側面図）である。

【００１６】図８において、ヒートパイプ式冷却器２
は、ヒートパイプの蒸発部９が下方に、凝縮部８が上方
となるように、ヒートパイプが傾斜しており、蒸発部９
は半導体素子１が押圧される蒸発部ブロック１０に挿入
され、凝縮部８には大気へ熱放散するための放熱フィン
３が多数枚取付けられる。

【００１７】放熱フィン３は、ヒートパイプに垂直に貫
通されるが、放熱フィン３から大気への熱放散を自然冷
却で行なう場合には、この放熱フィン３が垂直の方向と
なる方が、フィン表面からの熱伝達が良好であり、前述
のヒートパイプの傾斜角度は、水平から１０度前後の傾
きで構成されるのが一般的である。

【００１８】一般に、半導体スタックは、複数個の半導
体素子１と複数個のヒートパイプ式冷却器２とから構成
されており、半導体素子１は、ヒートパイプ式冷却器２
の蒸発部ブロック１０を交互に挟みながら積層されてス
タック軸を成し、これを軸方向に圧接して使用される。

【００１９】この半導体スタック軸は、前述のように、
その軸方向を水平にして、装置の密閉部に収納され、一
方装置の開放部には、ヒートパイプ式冷却器２の放熱フ
ィン群が収納される。

【００２０】放熱フィン３から大気への熱放散を自然冷
却で行なう場合には、放熱フィン３の面積を確保する必
要があることから、半導体スタックの軸方向の長さは、
放熱フィン３群のスタック軸方向の長さで決まってしま
うのが一般的である。

【００２１】すなわち、半導体素子１と蒸発部ブロック
１０とを積層していった寸法よりも、積層されたヒート
パイプ式冷却器２の放熱部側のスタック軸方向寸法の方
が大きい。

【００２２】そこで、半導体スタック側には、軸方向長
さを調整するためのスペーサ４を挿入することになる。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな電力変換装置の半導体スタックでは、半導体素子１
は、装置の長手方向（レール方向）に積層されることか
ら、装置外形を小さくしようとしても、この半導体スタ
ック長さで制約されてしまい、小形化を図ることが困難
である。

【００２４】特に、構造上の実装効率の点からも、半導
体スタックの配置の自由度が無く、半導体スタックの収
納される装置密閉室内には、部品実装されない無駄スペ
ースができてしまい、装置の小形化を困難にしている。

【００２５】一方、冷却器の放熱フィン３が収納される
装置開放部側も、ヒートパイプ式冷却器２は、半導体ス
タック同様に、装置の長手方向（レール方向）に一義的
に並び、この開放部の中（特に下部）には、放熱フィン
３群が占めていない無駄スペースができてしまう。

【００２６】そして、この開放部の下部の部分まで使っ
て、放熱フィン３の外形を大きくすることは可能である
が、放熱フィン３に伝熱するヒートパイプは放熱フィン
３のほぼ中央を貫通接続しており、フィン効率を考える
と、開放部下方では放熱効果が小さく（放熱フィン３は
ヒートパイプとの接続部分から遠ざかるとフィン表面温
度か低くなり、大気との熱交換上不利となる）、外形を
大きくした程の放熱効果は無い。

【００２７】また、鉄道車両の床下の装置艤装スペース
の形状は、一般に車体側方側の下方がカットされた形状
であり、この部分に収納される冷却器放熱部も、この部
分を避けた形で外形決定される。

【００２８】ヒートパイプ式冷却器２の場合には、多数
枚の放熱フィン３のうち、ヒートパイプ先端側に貫通接
続される放熱フィン３が、この艤装スペースの制約で外
形が決まってしまい、標準化から、１個のヒートパイプ
式冷却器２で使われる放熱フィン３は同一種類とするこ
とが殆どであるため、開放部下部は空きスペースとな
る。

【００２９】そして、この開放部のスペースに合わせて
放熱フィンの外形を変えた複数種類の放熱フィンを、順
次ヒートパイプに貫通接続することも可能であるが、冷
却器の製作が行ない難くなることと、前述のフィン効率
が良くない領域でのフィン外形の拡張となるため、得策
ではない。

【００３０】以上のように、従来の電力変換装置の半導
体スタックでは、装置の小形化を図る上で種々の問題が
ある。

【００３１】本発明の目的は、装置の小形化を図ること
が可能な電力変換装置の半導体スタックを提供すること
にある。

【００３２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明では、半導体素子を複数個組合わ
せて電力変換回路の１相分が構成される電力変換装置の
半導体スタックにおいて、電力変換回路の１相分の半導
体素子と複数個のヒートパイプ式冷却器とを積層、圧接
して半導体スタック本体とし、この半導体スタック本体
を装置高さに見合うように半導体素子の複数個単位で分
割し、かつこれをスタック軸がほぼ上下方向となるよう
に構成している。

【００３３】従って、請求項１の発明の電力変換装置の
半導体スタックにおいては、電力変換回路の１相分の半
導体素子と複数個のヒートパイプ式冷却器とを積層、圧
接して半導体スタック本体とし、この半導体スタック本
体を装置高さに見合うように半導体素子の複数個単位で
分割し、かつこれをスタック軸がほぼ上下方向となるよ
うに構成することにより、前述した従来の電力変換装置
のように、長手方向の寸法がスタック長に制約されず
に、装置幅の小形化を図ることができる。

【００３４】一方、請求項２の発明では、半導体素子を
複数個組合わせて電力変換回路の１相分が構成される電
力変換装置の半導体スタックにおいて、電力変換回路の
１相分の半導体素子を、複数個のヒートパイプ式冷却器
と共にほぼ上下方向に積層、圧接し、装置本体の密閉部
分に、半導体素子とヒートパイプ式冷却器の蒸発部ブロ
ックとが積層されたスタック部分をその圧接軸方向がほ
ぼ上下方向となるように収納し、装置本体の開放部分
に、複数個のヒートパイプ式冷却器の放熱部分を収納し
ている。

【００３５】従って、請求項２の発明の電力変換装置の
半導体スタックにおいては、電力変換回路の１相分の半
導体素子を、複数個のヒートパイプ式冷却器と共にほぼ
上下方向に積層、圧接し、装置密閉部に半導体素子とヒ
ートパイプ式冷却器の蒸発部ブロックとが積層されたス
タック部分をその圧接軸方向がほぼ上下方向となるよう
に収納し、装置本体の開放部分には複数個のヒートパイ
プ式冷却器の放熱部分を収納した構成とすることによ
り、前述した従来の電力変換装置のように、長手方向の
寸法がスタック長に制約されずに、装置幅の小形化を図
ることができる。

【００３６】また、請求項３の発明では、上記請求項２
の発明の電力変換装置の半導体スタックにおいて、１相
分の半導体素子は、逆並列接続したダイオードを内蔵し
た高周波駆動素子で、２レベル変換回路を構成する２個
が直列接続されて、複数個のヒートパイプ式冷却器と共
にほぼ上下方向に積層、圧接している。

【００３７】従って、請求項３の発明の電力変換装置の
半導体スタックにおいては、逆並列接続したダイオード
を内蔵した高周波駆動素子を使った２レベル変換回路の
半導体スタックで、１相分２個の半導体素子を直列接続
し、この半導体素子と複数個のヒートパイプ式冷却器と
をほぼ上下方向に積層、圧接し、装置本体の密閉部分に
半導体素子とヒートパイプ式冷却器の蒸発部ブロックと
が積層されたスタック部分をその圧接軸方向がほぼ上下
方向となるように収納し、装置本体の開放部分には複数
個のヒートパイプ式冷却器の放熱部分を収納した構成と
することにより、前述した従来の電力変換装置のよう
に、長手方向の寸法がスタック長に制約されず、装置幅
の小形化を図ることができるのに加えて、１相分の半導
体素子の積層数が少なく、装置の高さを低減した低床形
装置にも適用することができる。

【００３８】さらに、請求項４の発明では、上記請求項
２の発明の電力変換装置の半導体スタックにおいて、ほ
ぼ上下方向に半導体素子と共に積層されるヒートパイプ
式冷却器は、放熱部分が同一でなく、下側のヒートパイ
プ式冷却器の放熱フィン枚数の方が少なく、下側のヒー
トパイプ長さを短かくしている。

【００３９】従って、請求項４の発明の電力変換装置の
半導体スタックにおいては、半導体素子と共に積層され
るヒートパイプ式冷却器は、放熱部分が同一でなく、下
側のヒートパイプ式冷却器の放熱フィン枚数の方が少な
く、下側のヒートパイプ長さか短い構成とすることによ
り、上側のヒートパイプ式冷却器への冷却風が流れ易く
なり、上側のヒートパイプ式冷却器で冷却効率を向上す
ることができ、上下のヒートバイプ式冷却器の温度上昇
を平準化することができる。

【００４０】一方、請求項５の発明では、上記請求項２
の発明の電力変換装置の半導体スタックにおいて、ほぼ
上下方向に半導体素子と共に積層されるヒートパイプ式
冷却器は、放熱部分が同一でなく、下側のヒートパイプ
式冷却器は放熱フィン枚数が少なく、放熱フィン間の寸
法を大きくしている。

【００４１】従って、請求項５の発明の電力変換装置の
半導体スタックにおいては、半導体素子と共に積層され
るヒートパイプ式冷却器は、放熱部分が同一でなく、下
側のヒートパイプ式冷却器は放熱フィン枚数が少なく、
放熱フィン間の寸法を大きくする構成とすることによ
り、下側のヒートパイプ式冷却器のフィン間が大きいた
め、上側ヒートパイプ式冷却器への冷却風が流れ易くな
り、上記請求項４の発明と同様の作用効果を奏すること
ができる。

【００４２】また、請求項６の発明では、上記請求項２
の発明の電力変換装置の半導体スタックにおいて、上下
方向に積層される半導体素子の最下部に位置する半導体
素子は、直列接続された１相分の電力変換回路のマイナ
ス側の半導体素子とし、さらに当該半導体素子の負極側
を下方に向けて積層し、当該負極側に押圧されるヒート
パイプ式冷却器は凝縮部が絶縁されていなく、その上方
側に位置するヒートパイプ式冷却器は、凝縮部を半導体
素子電位から絶縁している。

【００４３】従って、請求項６の発明の電力変換装置の
半導体スタックにおいては、上下方向に積層される半導
体素子の最下部に位置する半導体素子は、直列接続され
た１相分の電力変換回路のマイナス側の半導体素子と
し、さらにその半導体素子の負極側を下方に向けて積層
し、この負極側に押圧されるヒートパイプ式冷却器は凝
縮部が絶縁されていなく、その上方側に位置するヒート
パイプ式冷却器は凝縮部を半導体素子電位から絶縁する
構成とすることにより、アース電位となる半導体素子群
のマイナス側が押圧されることになる最下段のヒートパ
イプ式冷却器を非絶縁形で構成して、装置筐体と同電位
で取付けすることができ、また上方側では絶縁が必要と
なるため、仕切り板を垂直に構成した際に、仕切板の蒸
発部ブロック間の距離が上下で異なる構成も可能とな
り、その部分で絶縁構成するとスペースファクタが良
い。

【００４４】さらに、請求項７の発明では、上記請求項
２の発明の電力変換装置の半導体スタックにおいて、上
下に積層された複数個のヒートパイプ式冷却器に共通
に、ヒートパイプと貫通接続している放熱フィンが少な
くとも１枚有り、上下に積層された複数個のヒートパイ
プ式冷却器を前記放熱フィンで接続している。

【００４５】従って、請求項７の発明の電力変換装置の
半導体スタックにおいては、上下に積層された複数個の
ヒートパイプ式冷却器に共通にヒートパイプと貫通接続
している放熱フィンが少なくとも１枚有り、上下に積層
された複数個のヒートパイプ式冷却器をこの放熱フィン
で接続する構成とすることにより、共通に貫通接続して
いる放熱フィンによって、上下に積層された複数個のヒ
ートパイプ式冷却器で温度上昇を平準化することができ
る。

【００４６】一方、請求項８の発明では、上記請求項４
の発明の電力変換装置の半導体スタックにおいて、最も
下側のヒートパイプ式冷却器の放熱フィンのうちヒート
パイプの先端側に装着された放熱フィンは、上側のヒー
トパイプ式冷却器のヒートパイプ先端側に同時に装着さ
れて、上下に並んだヒートパイプ式冷却器を放熱フィン
で接続している。

【００４７】従って、請求項８の発明の電力変換装置の
半導体スタックにおいては、積層された複数個のヒート
パイプ式冷却器のうち、下側のヒートパイプ式冷却器の
ヒートパイプ長さが短い構成とした半導体スタックで、
最も下側のヒートパイプ式冷却器の放熱フィンのうちヒ
ートパイプの先端側に装着された放熱フィンを、上側の
ヒートパイプ式冷却器のヒートパイプ先端側にも同時に
装着して、上下に並んだヒートパイプ式冷却器をこの放
熱フィンで接続する構成とすることにより、共通に貫通
接続している放熱フィンによって、上下に積層された複
数個のヒートパイプ式冷却器が熱的に接続され、また下
側のヒートパイプ式冷却器のフィン間が大きいことによ
り、上側ヒートパイプ式冷却器への冷却風が流れ易くな
る。

【００４８】また、冷媒が凍結した状態で半導体素子か
通電により発熱した時、一旦冷媒は融解するか、ヒート
パイプ先端側で再凍結するが、最下側のヒートパイプ式
冷却器のヒートパイプは、長さが短いことにより、ヒー
トパイプの熱伝導によってヒートパイプ先端を暖め、先
端で凍結した冷媒を融解して冷却器として正常に作動す
る。その後、上下のヒートパイプ式冷却器を接続した放
熱フィンの熱伝導によって、同様に先端側で冷媒が凍結
した上側のヒートパイプ式冷却器も作動し、マイナス環
境下でも作動することができる。

【００４９】また、請求項９の発明では、上記請求項４
の発明の電力変換装置の半導体スタックにおいて、最も
下側のヒートパイプ式冷却器の放熱フィンのうちヒート
パイプの先端側に装着された放熱フィンと、上側のヒー
トパイプ式冷却器の放熱フィンのヒートパイプ先端側に
装着された放熱フィンとを、別のヒートパイプで接続し
ている。

【００５０】従って、請求項９の発明の電力変換装置の
半導体スタックにおいては、積層された複数個のヒート
パイプ式冷却器のうち、下側のヒートパイプ式冷却器の
ヒートパイプ長さが短い構成とした半導体スタックで、
最も下側のヒートパイプ式冷却器の放熱フィンのうちヒ
ートパイプの先端側に装着された放熱フィンと、上側の
ヒートパイプ式冷却器の放熱フィンのヒートパイプ先端
側に装着された放熱フィンとを、別なヒートパイプて接
続する構成とすることにより、上下のヒートパイプ式冷
却器の放熱フィンを別なヒートパイプで接続することに
よって、上下に積層された複数個のヒートパイプ式冷却
器が温度的に共通となる。

【００５１】そして、ヒートパイプ先端を上下に接続す
る放熱フィンに別のヒートパイプを接続し、上下間の熱
伝達スピードを高めていることにより、上記請求項８の
発明と同様な作用効果を奏することができるが、ヒート
パイプ接続による熱伝達が早いことよって、マイナス環
境下の冷媒が凍結した状態での、半導体素子の発熱から
正常動作までの時間が短かくなる。

【００５２】さらに、請求項１０の発明では、上記請求
項２の発明の電力変換装置の半導体スタックにおいて、
電力変換回路の１相分を構成する上下方向に積層された
単位半導体スタックを複数個横方向に並べ、各々の単位
半導体スタックの間にコンデンサを分割配置し、各々の
単位半導体スタックのプラス側電位とマイナス側電位
を、それぞれ隣りに配置されたコンデンサと接続してい
る。

【００５３】従って、請求項１０の発明の電力変換装置
の半導体スタックにおいては、１相分を構成する上下方
向に積層された単位半導体スタックを複数個横方向に並
べ、各々の単位半導体スタックの間にコンデンサを分割
配置し、各々の単位半導体スタックのプラス側電位とマ
イナス側電位をそれぞれ隣りに配置されたコンデンサと
接続する構成とすることにより、それぞれの単位半導体
スタックの隣に配置されるため、締結部が装置製造時に
装置内部の保守時の作業方向が前面となり、端子と端子
が無理なく接続でき、実装配線長の最短化によって、低
インダクタンス化を図ることができる。

【００５４】

【発明の実施の形態】本発明は、電力変換回路の１相分
の半導体素子と複数個のヒートパイプ式冷却器とを積
層、圧接して半導体スタック本体とし、この半導体スタ
ック本体を装置高さに見合うように半導体素子の複数個
（例えば２〜４個）単位で分割し、これをスタック軸が
ほぼ上下方向となるように構成して、装置幅の小形化を
図るものである。

【００５５】すなわち、複数個のヒートパイプ式冷却器
を使った電力変換装置の半導体スタックでは、それぞれ
のヒートパイプ式冷却器は冷却系が独立していることか
ら、１個のヒートパイプ式冷却器の中で、蒸発部よりも
凝縮部が上方に有れば充分であり、半導体スタックの中
の全ての蒸発部が下方に有る必要はないことに着目した
ものである。

【００５６】以下、上記のような考え方に基づく本発明
の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明す
る。

【００５７】（第１の実施の形態：請求項１、請求項
２、請求項３に対応）図１（ａ）乃至（ｅ）は、本実施
の形態による電力変換装置の半導体スタックを示す概要
図であり、図１（ａ）は同装置の側面図、図１（ｂ）は
同装置を組込んだ状態の側面図、図１（ｃ）は同装置の
スタック３相を並べた時の正面図、図１（ｄ）は従来の
圧接軸方向が左右方向になるスタックの例の装置組込み
状態の側面図、図１（ｅ）は従来の圧接軸方向が左右方
向になるスタックの例の３相を並べた時の正面図であ
る。

【００５８】なお、図１中、図８と同一部分には同一符
号を付して示している。

【００５９】図１において、電力変換回路の１相分の半
導体素子１を、複数個（２個乃至４個）のヒートパイプ
式冷却器２と共にほぼ上下方向に積層、圧接している。

【００６０】また、装置本体の密閉部分内に、半導体素
子１とヒートパイプ式冷却器２の蒸発部ブロックとが積
層されたスタック部分をその圧接軸方向がほぼ上下方向
となるように収納している。

【００６１】さらに、装置本体の開放部分に、複数個の
ヒートパイプ式冷却器２の放熱部分を収納する構成とし
ている。

【００６２】ここで、電力変換回路の１相分の半導体素
子１は、逆並列接続したダイオードを内蔵した高周波駆
動素子で、２レベル変換回路を構成する２個が直列接続
されて、複数個のヒートパイプ式冷却器２と共にほぼ上
下方向に積層、圧接している。

【００６３】次に、以上のように構成した本実施の形態
の電力変換装置の半導体スタックにおいては、ヒートパ
イプ式冷却器２は、それぞれが独立した冷却器系であ
り、半導体素子１の発熱によって冷媒は気化し、それが
冷却器の凝縮側へ熱輸送され、凝縮器で冷媒は凝縮し、
この熱が凝縮部の放熱フィン３より外気に熱放散され
る。

【００６４】そして、凝縮し液化した冷媒は蒸発側へ戻
り、再びかかるサイクルを繰り返す。

【００６５】上側の半導体素子１は、それに接している
上側のヒートパイプ式冷却器２によって冷却され、下側
の半導体素子１は、それに接している下側のヒートパイ
プ式冷却器２によって冷却される。

【００６６】一方、装置高さ寸法において、図１（ｂ）
に示すように、一般にスタックの長さ寸法（Ｌ２）は、
スタック幅寸法（Ｌ１）よりも大きく、Ｌ２＞Ｌ１の関
係が成り立つ。

【００６７】この場合、従来の例である、図１（ｄ）よ
り、スタックの断面の２面ともほぼ等しく、Ｌ１′＝Ｌ
２′という関係が成り立つ。

【００６８】すなわち、本実施の形態では、スタックの
長さ寸法Ｌ２は、装置高さ寸法よりもやや小さい値とし
ているため、スタック上下に無駄なスペースが無い。

【００６９】これに対して、従来の例では、スタックの
上下は、無駄スペースとなっている。

【００７０】また、装置の長手寸法において、図１
（ｃ）および（ｅ）に示すように、３相並べた時の寸法
は、スタック軸方向を上下にした時の方が、３相一括ス
タックよりも、短い寸法で構成することができる（Ｌ３
＜Ｌ３′）。

【００７１】上述したように、本実施の形態の電力変換
装置の半導体スタックでは、スタック軸方向を上下方向
とするようにしているので、装置の左右方向の寸法を小
さくすることができ、装置本体の密閉部分内でのスタッ
ク上下スペースを半導体スタックの圧接部材で活用する
ことで、構造上の実装効率が向上し、装置奥行き寸法を
小さくすることができ、装置の小形化を図ることが可能
となる。

【００７２】また、装置本体の開放部分側では、従来の
例では、ヒートパイプは装置高さ方向中央の付近のみの
配置であったのに対して、本実施の形態では、ヒートパ
イプが上下に効率よく配置されるため、放熱フィン３の
外形を装置高さいっぱいに大きくして、放熱面積を増大
して放熱効果を向上することが可能となる。

【００７３】（第２の実施の形態：請求項４、請求項５
に対応）図２は、本実施の形態による電力変換装置の半
導体スタックを示す側面図であり、図１と同一部分には
同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部
分についてのみ述べる。

【００７４】図２において、ほぼ上下方向に半導体素子
１と共に積層されるヒートパイプ式冷却器２は、その放
熱部分が、上下同一でなく、下側のヒートパイプ式冷却
器２のヒートパイプの長さが短い構成としている。

【００７５】さらに、下側の放熱フィン３間の寸法を大
きくして、放熱フィン３の枚数を少なくする構成として
いる。

【００７６】次に、以上のように構成した本実施の形態
の電力変換装置の半導体スタックにおいては、下側のヒ
ートパイプ式冷却器２の放熱部分を短くしたり、放熱フ
ィン３の枚数を減らしていることにより、上側のヒート
パイプ式冷却器２の下方からの冷却風が取り入れ易くな
り、上側のヒートパイプ式冷却器２で冷却効率を向上す
ることができ、上下のヒートバイプ式冷却器２の温度上
昇を平準化することができる。

【００７７】上述したように、本実施の形態の電力変換
装置の半導体スタックでは、前述した第１の実施の形態
と同様の効果が得られるのに加えて、冷却風の取り入れ
が向上するため、上側ヒートパイプ式冷却器２の冷却効
率を向上することが可能となる。

【００７８】（第３の実施の形態：請求項６に対応）図
３は、本実施の形態による電力変換装置の半導体スタッ
クを示す側面図であり、図１と同一部分には同一符号を
付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について
のみ述べる。

【００７９】図３において、最下側のヒートパイプ式冷
却器２を非絶縁形で構成し、装置の筺体６と同様のアー
ス電位としている。

【００８０】また、上側ヒートパイプ式冷却器２は正極
側であるため、筐体６に対して絶縁をしている。

【００８１】さらに、筺体６の開放側と密閉側との境に
設けた仕切板１９を、垂直に構成している。

【００８２】すなわち、上下方向に積層される半導体素
子１の最下部に位置する半導体素子１は、直列接続され
た１相分の電力変換回路のマイナス側の半導体素子と
し、さらにこの半導体素子１の負極側を下方に向けて積
層し、この負極側に押圧されるヒートパイプ式冷却器２
は凝縮部が絶縁されていなく、その上方側に位置するヒ
ートパイプ式冷却器２は、凝縮部を半導体素子電位から
絶縁する構成としている。

【００８３】次に、以上のように構成した本実施の形態
の電力変換装置の半導体スタックにおいては、上側ヒー
トパイプ式冷却器２の蒸発部ブロック１６と仕切板１９
との間の距離をＬ４、下側ヒートパイプ式冷却器２の蒸
発部ブロック１７と仕切板１９との間の距離をＬ３とし
た時、Ｌ４＞Ｌ３となる。

【００８４】そして、Ｌ４の部所に、絶縁物１３を設
け、上側ヒートパイプ式冷却器２を筺体６から絶縁し、
Ｌ４のスペースを有効に活用した構成となる。

【００８５】すなわち、アース電位となる半導体素子１
群のマイナス側が押圧されることになる最下段のヒート
パイプ式冷却器２を非絶縁形で構成して、装置の筐体６
と同電位で取付けすることができ、また上方側では絶縁
が必要となるため、仕切り板１９を垂直に構成した際
に、仕切板１９の蒸発部ブロック１７間の距離が上下で
異なる構成も可能となり、その部分で絶縁構成するとス
ペースファクタが良い。

【００８６】上述したように、本実施の形態の電力変換
装置の半導体スタックでは、前述した第１の実施の形態
と同様の効果が得られるのに加えて、絶縁のためのスペ
ースを有効活用し、構造上の実装効率を向上することが
可能となる。

【００８７】（第４の実施の形態：請求項７に対応）図
４は、本実施の形態による電力変換装置の半導体スタッ
クを示す側面図であり、図１と同一部分には同一符号を
付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について
のみ述べる。

【００８８】図４において、上下に積層された複数個の
ヒートパイプ式冷却器２の１枚以上の放熱フィン３が共
通し、それぞれのヒートパイプ式冷却器２をその放熱フ
ィン３で接続する構成としている。

【００８９】次に、以上のように構成した本実施の形態
の電力変換装置の半導体スタックにおいては、共通に貫
通接続している放熱フィン３により、上下に積層された
複数個のヒートパイプ式冷却器２を熱伝導する。

【００９０】これにより、共通に貫通接続している放熱
フィン３によって、上下に積層された複数個のヒートパ
イプ式冷却器２で温度上昇を平準化することができる。

【００９１】上述したように、本実施の形態の電力変換
装置の半導体スタックでは、前述した第１の実施の形態
と同様の効果が得られるのに加えて、上下の複数個のヒ
ートパイプ式冷却器２の温度上昇を平準化することが可
能となる。

【００９２】（第５の実施の形態：請求項８に対応）図
５は、本実施の形態による電力変換装置の半導体スタッ
クを示す側面図であり、図４と同一部分には同一符号を
付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について
のみ述べる。

【００９３】図５において、下側ヒートパイプ式冷却器
２のヒートパイプの長さが短く、下側の放熱フィン３の
間の寸法を大きくして、枚数を少なくする構成としてい
る。

【００９４】すなわち、最も下側のヒートパイプ式冷却
器２の放熱フィン３のうちヒートパイプの先端側に装着
された放熱フィン３は、上側のヒートパイプ式冷却器２
のヒートパイプ先端側に同時に装着されて、上下に並ん
だヒートパイプ式冷却器２を放熱フィン３で接続する構
成としている。

【００９５】次に、以上のように構成した本実施の形態
の電力変換装置の半導体スタックにおいて、水冷媒のヒ
ートパイプの時、マイナス温度となる寒冷地の環境下で
の動作を説明する。

【００９６】マイナス温度環境下では、冷媒は凍結す
る。初め、冷媒は、半導体素子１側で凍結しているが、
半導体素子１への通電によって半導体素子１が発熱し、
その熱の熱伝導によって、ヒートパイプ内で凍結した冷
媒は、融解、気化して、もう一方の端部（放熱フィン３
側であるヒートパイプ先端）ヘ移動するが、そこが凝固
点以下の低温であることから、冷媒は再凍結する。

【００９７】下側のヒートパイプ式冷却器２は、ヒート
パイプの長さが短いため、半導体素子１から冷却ブロッ
クヘ、冷却ブロックからヒートパイプの壁面の熱伝導に
よって、ヒートパイプ先端を０℃以上に暖めることがで
き、数分後にヒートパイプ先端の再凍結した冷媒１８を
融解し、冷却器として機能し始める。

【００９８】本来、上側のヒートパイプ式冷却器２は、
ヒートパイプの長さが長いため、半導体素子１からの熱
伝導がヒートパイプ先端まで届かず、冷媒を融解できな
いが、この点本実施の形態では、共通に貫通接続する放
熱フィン３により、低温環境下でも動作できる下側のヒ
ートパイプ式冷却器２からの熱伝導によって、上側ヒー
トパイプ式冷却器２の冷媒を融解することができる。

【００９９】上述したように、本実施の形態の電力変換
装置の半導体スタックでは、前述した第４の実施の形態
と同様の効果が得られるのに加えて、冷媒が凍結するマ
イナス環境下でも、上下に並んだ全てのヒートパイプ式
冷却器２を動作させることが可能となる。

【０１００】（第６の実施の形態：請求項９に対応）図
６は、本実施の形態による電力変換装置の半導体スタッ
クを示す側面図であり、図５と同一部分には同一符号を
付してその説明を省略し、ここでは異なる部分について
のみ述べる。

【０１０１】図６において、上下に積層された複数個の
ヒートパイプ式冷却器２に１枚以上の放熱フィン３が共
通し、その放熱フィン３には別のヒートパイプ５を接続
し、それぞれのヒートパイプ式冷却器２をそのヒートパ
イプ５付き放熱フィン３で接続する構成としている。

【０１０２】次に、以上のように構成した本実施の形態
の電力変換装置の半導体スタックにおいては、低温環境
下で冷媒が凍結した場合、前述した第５の実施の形態と
同様に、最下側のヒートパイプ式冷却器２は、ヒートパ
イプの熱伝導によって、ヒートパイプの先端を暖め、共
通に貫通接続している放熱フィン３の別のヒートパイプ
も暖め、そのヒートパイプの凍結した冷媒を融解して動
作する。

【０１０３】かかる動作により、上側のヒートパイプ式
冷却器２を暖めて、前述した第５の実施の形態と同様
に、上側のヒートパイプ式冷却器２を動作させるが、共
通に貫通接続している放熱フィン３の熱伝達が、別のヒ
ートパイプの作用のために速くなる。

【０１０４】上述したように、本実施の形態の電力変換
装置の半導体スタックでは、前述した第５の実施の形態
と同様の効果が得られるのに加えて、上側ヒートパイプ
式冷却器２の動作するまでの時間を早くすることが可能
となる。

【０１０５】（第７の実施の形態：請求項１０に対応）
図７（ａ）および（ｂ）は、本実施の形態による電力変
換装置の半導体スタックを示す概要図であり、図７
（ａ）は同装置の平面図（図７（ｂ）のＰ矢視図）、図
７（ｂ）は同装置の側面図である。

【０１０６】なお、図７中、図１と同一部分には同一符
号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分につ
いてのみ述べる。

【０１０７】図７において、電力変換回路の１相分を構
成する上下方向に積層された単位半導体スタックを複数
個（２個または３個）横方向に並べて、各々の単位半導
体スタックの隣にコンデンサ７の端子を、装置製造時に
装置内部の保守時の作業方向の前面になるように配置
し、各々の単位半導体スタックの各プラス側とマイナス
側の電位を揃えるようにしてスタックの隣に配置する構
成としている。

【０１０８】次に、以上のように構成した本実施の形態
の電力変換装置の半導体スタックにおいては、コンデン
サ７の端子を単位半導体スタック側との接続と揃えてい
ることにより、接続が無理なくでき、また各々の単位半
導体スタックの隣にコンデンサ７を配置していることに
より、実装配線長を短縮化することができる。

【０１０９】上述したように、本実施の形態の電力変換
装置の半導体スタックでは、前述した第１の実施の形態
と同様の効果が得られるのに加えて、コンデンサ７の端
子と、単位半導体スタック側との接続面を揃えるように
しているので、締結部が装置製造時に装置内部の保守時
の作業方向が前面となり、端子と端子との締結作業性を
向上することが可能となる。

【０１１０】また、実装配線長の最短化により、低イン
ダクタンス化を図ることが可能となる。

【０１１１】尚、前記各実施の形態では、本発明を鉄道
車両用の電力変換装置の半導体スタックに適用する場合
について説明したが、これに限らず、これ以外の用途用
の電力変換装置の半導体スタックについても、本発明を
同様に適用して同様の効果を得ることが可能である。

【０１１２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電力変換
装置の半導体スタックによれば、圧接方向がほぼ上下方
向となるように収納するようにしているので、装置左右
間の寸法縮小、スタック上下間のスペース有効活用によ
る実装密度の向上、実装密度向上による奥行き方向の寸
法の縮小によって、装置の小形化を図ることが可能とな
る。

【０１１３】また、装置本体の開放部分側においては、
放熱部の実装密度の向上、および冷却効率の向上を図る
ことが可能となる。

【０１１４】さらに、半導体素子の配置、仕切板の垂直
配置により、上側スタックの絶縁物配置のスペースを有
効活用することが可能となる。

【０１１５】一方、下側ヒートパイプ式冷却器の放熱フ
ィンピッチの拡大や、ヒートパイプ長さ短縮化による上
側ヒートパイプの冷却効率の向上を図ることが可能とな
る。

【０１１６】また、一部の放熱フィンが上下のヒートパ
イプ式冷却器を接続するようにしているので、上下間の
温度の平準化を図ることが可能となり、下側ヒートパイ
プの長さ短縮によって、マイナス環境下での水冷媒凍結
時のヒートパイプ式冷却器の作動が可能となる。

【０１１７】さらに、コンデンサを単位半導体スタック
間に配置するようにしているので、組立作業性が向上
し、実装配線長の最短化によって低インダクタンス化を
図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電力変換装置の半導体スタックの
第１の実施の形態を示す概要図。

【図２】本発明による電力変換装置の半導体スタックの
第２の実施の形態を示す側面図。

【図３】本発明による電力変換装置の半導体スタックの
第３の実施の形態を示す側面図。

【図４】本発明による電力変換装置の半導体スタックの
第４の実施の形態を示す側面図。

【図５】本発明による電力変換装置の半導体スタックの
第５の実施の形態を示す側面図。

【図６】本発明による電力変換装置の半導体スタックの
第６の実施の形態を示す側面図。

【図７】本発明による電力変換装置の半導体スタックの
第７の実施の形態を示す概要図。

【図８】従来の電力変換装置の半導体スタックの構成例
を示す概要図。

【符号の説明】

１…半導体素子、 ２…ヒートパイプ式冷却器、 ３…放熱フィン、 ４…導体（スペーサ）、 ５…放熱フィンに取付のヒートパイプ、 ６…筺体、 ７…コンデンサ、 ８…冷却器の凝縮器測、 ９…冷却器の蒸発側、 １０…冷却器蒸発部ブロック、 １１…マイナス側半導体素子、 １２…プラス測半導体素子、 １３…絶縁物、 １４…負極側ヒートパイプ、 １５…正極側ヒートパイプ、 １６…上側ヒートパイプ式冷却器の蒸発部ブロック、 １７…下側ヒートパイプ式冷却器の蒸発部ブロック、 １８…凍結した冷媒。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本 隆 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 Ｆターム(参考） 5H006 AA05 HA07 HA08 HA41 HA42 5H007 AA06 HA04 HA05 HA07

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体素子を複数個組合わせて電力変換
   回路の１相分が構成される電力変換装置の半導体スタッ
   クにおいて、 前記電力変換回路の１相分の半導体素子と複数個のヒー
   トパイプ式冷却器とを積層、圧接して半導体スタック本
   体とし、 前記半導体スタック本体を装置高さに見合うように前記
   半導体素子の複数個単位で分割し、かつこれをスタック
   軸がほぼ上下方向となるように構成したことを特徴とす
   る電力変換装置の半導体スタック。
2. 【請求項２】 半導体素子を複数個組合わせて電力変換
   回路の１相分が構成される電力変換装置の半導体スタッ
   クにおいて、 前記電力変換回路の１相分の半導体素子を、複数個のヒ
   ートパイプ式冷却器と共にほぼ上下方向に積層、圧接
   し、 装置本体の密閉部分に、前記半導体素子とヒートパイプ
   式冷却器の蒸発部ブロックとが積層されたスタック部分
   をその圧接軸方向がほぼ上下方向となるように収納し、 装置本体の開放部分に、前記複数個のヒートパイプ式冷
   却器の放熱部分を収納して成ることを特徴とする電力変
   換装置の半導体スタック。
3. 【請求項３】 前記請求項２に記載の電力変換装置の半
   導体スタックにおいて、 前記１相分の半導体素子は、逆並列接続したダイオード
   を内蔵した高周波駆動素子で、２レベル変換回路を構成
   する２個が直列接続されて、前記複数個のヒートパイプ
   式冷却器と共にほぼ上下方向に積層、圧接していること
   を特徴とする電力変換装置の半導体スタック。
4. 【請求項４】 前記請求項２に記載の電力変換装置の半
   導体スタックにおいて、 前記ほぼ上下方向に半導体素子と共に積層されるヒート
   パイプ式冷却器は、前記放熱部分が同一でなく、下側の
   ヒートパイプ式冷却器の放熱フィン枚数の方が少なく、
   下側のヒートパイプ長さを短かくしていることを特徴と
   する電力変換装置の半導体スタック。
5. 【請求項５】 前記請求項２に記載の電力変換装置の半
   導体スタックにおいて、 前記ほぼ上下方向に半導体素子と共に積層されるヒート
   パイプ式冷却器は、前記放熱部分が同一でなく、下側の
   ヒートパイプ式冷却器は放熱フィン枚数が少なく、放熱
   フィン間の寸法を大きくしていることを特徴とする電力
   変換装置の半導体スタック。
6. 【請求項６】 前記請求項２に記載の電力変換装置の半
   導体スタックにおいて、 前記上下方向に積層される半導体素子の最下部に位置す
   る半導体素子は、直列接続された１相分の電力変換回路
   のマイナス側の半導体素子とし、さらに当該半導体素子
   の負極側を下方に向けて積層し、当該負極側に押圧され
   るヒートパイプ式冷却器は凝縮部が絶縁されていなく、
   その上方側に位置するヒートパイプ式冷却器は、凝縮部
   を半導体素子電位から絶縁していることを特徴とする電
   力変換装置の半導体スタック。
7. 【請求項７】 前記請求項２に記載の電力変換装置の半
   導体スタックにおいて、 前記上下に積層された複数個のヒートパイプ式冷却器に
   共通に、ヒートパイプと貫通接続している放熱フィンが
   少なくとも１枚有り、上下に積層された複数個のヒート
   パイプ式冷却器を前記放熱フィンで接続していることを
   特徴とする電力変換装置の半導体スタック。
8. 【請求項８】 前記請求項４に記載の電力変換装置の半
   導体スタックにおいて、 前記最も下側のヒートパイプ式冷却器の放熱フィンのう
   ちヒートパイプの先端側に装着された放熱フィンは、上
   側のヒートパイプ式冷却器のヒートパイプ先端側に同時
   に装着されて、上下に並んだヒートパイプ式冷却器を前
   記放熱フィンで接続していることを特徴とする電力変換
   装置の半導体スタック。
9. 【請求項９】 前記請求項４に記載の電力変換装置の半
   導体スタックにおいて、 前記最も下側のヒートパイプ式冷却器の放熱フィンのう
   ちヒートパイプの先端側に装着された放熱フィンと、上
   側のヒートパイプ式冷却器の放熱フィンのヒートパイプ
   先端側に装着された放熱フィンとを、別のヒートパイプ
   で接続していることを特徴とする電力変換装置の半導体
   スタック。
10. 【請求項１０】 前記請求項２に記載の電力変換装置の
    半導体スタックにおいて、 前記電力変換回路の１相分を構成する上下方向に積層さ
    れた単位半導体スタックを複数個横方向に並べ、前記各
    々の単位半導体スタックの間にコンデンサを分割配置
    し、前記各々の単位半導体スタックのプラス側電位とマ
    イナス側電位を、それぞれ隣りに配置された前記コンデ
    ンサと接続していることを特徴する電力変換装置の半導
    体スタック。