JPH031565A - パワー半導体デバイスを取り付け且つ冷却するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １１１立Ｕ全１ 本発明は、一般的にパワー半導体デバイスの取付は及び
冷却に関し、より詳細には、電動モータのための始動回
路に用いられるディスク型パワー半導体デバイスの取り
付は及び冷却に関する。

九肌立宣遣 ダイオード、５ＣＲ１及びサイリスタ等のパワー半導体
デバイスは、ＡＣ源から電気的負荷への電力の流れを調
節するために、通常、整流器及びＡＣスイッチ回路（こ
れらに限定しないが）に適用される。斯かる電気的負荷
は、例えば、空調システムにおける液冷却器のためのＡ
Ｃ又はＤＣモータであり得る。これらの半導体デバイス
は、有意の量の電流を導通するように定格化され適用さ
れ、この過程においては、有意の量の熱を発生する。こ
の発生した熱によって、半導体デバイスの接合部温度が
上昇する。これらのデバイスは、通常、接合部冷却容量
の関数としての電流運搬容量に定格化されており、定格
電流量は冷却容量が増大するにつれて増大する。特定の
接合部温度に対して定格電流を超えることはデバイスを
劣化させデバイスの故障を招くことになる。パワー半導
体デバイスの最大利用を達成するためには、デバイスの
接合部温度定格を超えることなしにデバイスによってよ
り多くの量の電流が導通するようにデバイスの冷却を行
うことが望ましい。

パワー半導体デバイスは、デバイスの電気的接続が得ら
れる方法に従って少なくとも２９の型に製造される。こ
れらの２９の型は、スタッド型及びディスク型と呼ばれ
る。以下に説明されるように、本発明の好ましい実施例
は、ディスク型半導体デバイスの取り付は及び冷却を意
図している。

しかしながら、本発明の原理は、スタッド型デバイスに
適用され得る。

当技術において周知のように、斯かるディスク型デバイ
スは半導体デバイス、例えば、環状絶縁スカートによっ
て互いに離間している対向している金属極面を有するデ
ィスク状容器内に配置されているダイオード、トランジ
スタ又はサイリスタから成る。このディスクデバイスを
回路作動のために取り付ける際、対向している極面に圧
縮力を適用してこれらをディスク状容器内に納められた
半導体デバイスの各々の近辺の陽極又は陰極に接触せし
める必要がある。当技術において公知のディスクデバイ
ス取り付は構成によってデバイスにある程度の冷却を与
え、又、必要な圧縮取り付は力をディスク面に適用する
ための機構が与えられる。

ディスク型デバイスを取り付けるための当技術における
１つの取り付は構成配置が第１図に示されている。この
取り付は構成配置は、両面フィン冷却装置１００を含ん
でおり、この装置の中で、ディスクデバイス１０２が２
９の空冷金属フィン付き熱シンク１０４及び１０６間で
圧縮される。

ディスクデバイス１０２への必要な圧縮取り付は力を達
成するために２９の熱シンクを締め付けるためのハード
ウェアは図示されていない、デバイス１０２の極面への
電気的接続のためのこの極面へのアクセスのためのハー
ドウェアも図面に図示されていない。

ディスク型デバイスを電気的並列構成に取り付けられて
いる２９のディスクデバイスと対に取り付け、各々のデ
バイスの陽極及び陰極を接続することも知られている。

この装置の種々の回路構成における実用性の故に、斯か
る並列取り付けが行われる。当技術において公知の１つ
の並列取り付は構成が第２図に示されている。図示され
たディスクデバイス取り付は及び冷却装置２００は、第
１及び第２バス端子バー２０６及び２０８を含んでいる
。デバイス２０２及び２０４は斯くして、上記の電気的
並列構成をもって端子バー２０６及び２０８の間に取り
付けられ得る。端子バー２０６は１枚の熱伝導性導電性
絶縁材２１２によって水冷プレート２１０から電気的に
絶縁されているつ装置２００はプレート２１０の代わり
に空冷フィン付き熱シンク（第２図に図示せず）に置き
換えるように構成することも出来る。装置２００は更に
、ボールベアリング２１６及び２１８並びに金属ディス
ク２２０及び２２２を通して圧力を端子バー：ｚｏｓに
適用するための圧力プレート２１４を含んでいる。ベア
リングと金属ディスクの組合せは、適用された力をディ
スクデバイス２０２及び２０４に均等に配分する働きを
する。スルーボルト２２４は、ブＩ／−ト２１０に固定
されており、このボルトは端子バー２０６及び２０８を
通って延設しており且つこれらのバーから（図示されて
いない手段）によって絶縁されている。ボルト２２４は
圧力プレート２１４を通って延設している。

ナツト２２６をワッシャを挟んで圧力プレートに締め付
けることにより、適当な圧縮力がデバイス２０２及び２
０４に適用される。ディスク２２０及び圧力プレート２
１４を端子バー２０８から電気的に分離するために１枚
の電気的絶縁材２３０が配設されている。各ディスクデ
バイス２０２．２０４を冷却するための手段は、その極
面を通して端子バー２０６と接触しており、熱は、端子
バーから電気絶縁シート２１２を通してプレート２１０
に伝えられる。装置２００として全体的に構成されてい
る装置は、ペンシルベニア州ヤングウッド在のパワレッ
クス社から開電カモジュールとして市販されている。装
置２００は、各半導体ディスクデバイスの片面の冷却し
か可能でなく、それ故、限定された電流運搬容量を有す
るがあるいは電流運搬要求条件を満たすために充分な大
きさの寸法を有するように構成する必要がある。

半導体デバイスを取り付は且つ冷却するための別の公知
方法が第３図に示されている。このディスク取り付は及
び冷却装置３００は、２９の半導体ディスクデバイス３
０２及び３０４を含んでおり、これらのデバイスには各
々、それぞれの極面の両方の冷却が行われる。装置３０
０は、円筒状金属体３０６．３０８及び３１０を含んで
おり、これらの円筒状金属体の間にはディスクデバイス
が介在している。これらの円筒状体はディスクデバイス
と熱及び導電接触している。これらのディスクデバイス
及び金属体は金属ベース３１２の円筒状くぼみの中に載
置されており、このベースからデバイス及び金属体を電
気的に分離するために絶縁材の層（図示せず）が配設さ
れている。装置３００は更に、ディスクデバイスを冷却
するための、ベース３１２に熱伝導接触している水冷取
付はプレート３１４を含んでいる。プレート３１４を通
る冷却水の循環を指示するために矢印３１６及び３１８
が与えられている。装置３００は又、これらのデバイス
及び金属体並びにベース３１２の上に適合する、部分的
に第３図に示されているカバー３２０を含んでいる。各
金属体はある電位に置かれるため、カバー３２０はこれ
らの金属体から（図示されない手段によって）電気的に
分離される。更に、このカバーは、絶縁スリーブ３２２
．３２４及び３２６が通過する３つの開口を含んでおり
、ディスクデバイス極面に対応する電気リードがこれら
のスリーブを通してデバイス３００から構される装置３
００は更に、圧縮取り付は力Ｆｃを円筒状体を通してデ
ィスクデバイスに適用するためにカバー３２０内で両端
に取り付けられているばね等の手段を含んでいる。各デ
ィスクデバイスによって発生した熱は各極面を通って近
辺の円筒状体に、次にこの円筒状体から金属ベース３１
２及び水冷プレート３１４に伝えられる。

第３図に図示されているように全体的に構成されている
装置は、パワレックス社製造の閉型カモジュールとして
市販されている。

本発明者等は、パワー半導体デバイスが大型モータ用電
源回路に適用された時に、上記の取り付はシステムはど
れも最適結果を与えないことを見いだした。例としての
み説明すると、複数の半導体デバイスが実質的な空調及
び熱ポンプシステムにおける始動回路に用いられる。こ
れらのモータは通常、１００乃至１０００ｈｐの範囲の
馬力定格を有しており、始動及び運転の期間中、半導体
デバイスは有意の量の熱を発生する。

斯かる回路において半導体デバイスが課せられる典型的
な使用サイクルが第４図に図示されており、この図面は
時間の関数としての半導体デバイス電力損Ｐ。のプロッ
ト４００を示している。この使用サイクルは、モータ運
転の期間中の安定状態作動期間４０４が後に続くモータ
運転期間中の初期過渡作動期間４０２によって特徴付け
られる。

−例として示すならば、モータの始動電流Ｉ　５ｔａｒ
、は、モータ運転電流１　ｒｕｎの約３倍の大きさを有
する。即ち、Ｉ　５ｔａｒｔ”　３　×Ｉ　ｒｕｎとな
る。そして過渡期間は３０秒を超える期間にわたって継
続する。斯かる場合、始動中の半導体デバイス電力損Ｐ
　５ｔａｒｔは、運転中のデバイス電力損、即ちｐ　ｒ
ｕｎの約４倍となる。モータ電源回路に適用された半導
体デバイスのために選択された取り付は及び冷却構成は
半導体デバイスの最高許容接合部温度を超えることなく
過渡始動期間の長さにわたって始動電流を運搬し且つ連
続的に運転電流を運搬出来なければならない。

有意レベルの始動電流、例えば、３０００アンペアを超
える始動電流を運搬するために、第１図に図示されてい
る型式のディスクデバイス取付は及び冷却装置は実質的
な物理空間がそのために割当られるように物理的にかな
り大きくなければならない。この寸法制限は商業的応用
には許容されなかった。

第２図に図示されている取り付はシステムも有意の制限
を有する０例として説明すると、第５図は、時間の関数
としての半導体デバイス接合部温度Ｔｊのプロット５０
０を示している。なお、モータ始動及び運転期間が図面
において図示されている。１２５℃の最高接合部温度が
仮定されているが、他の最高接合部温度を有する半導体
デバイスも市販されている。第５図に図示されている接
合部温度特性曲線は全て、同一の例示使用サイクルに対
応する。この使用サイクルは、４０秒にわたる１４００
アンペアの始動電流及び５１０アンペアの安定状態運転
電流から成る６曲線５０２〈実線）は装置２００に関し
て第２図に図示されたように取り付けられた半導体デバ
イスの接合部温度に対応する。ここで分かるように、装
置２００における各半導体デバイスの片面のみの冷却の
結果、モータ運転期間と比較してモータ始動期間中に冷
却能力が許容出来なくなる。それ故、使用者には、始動
能力を定格より下げるかもしくは最高接合部温度を超え
ないようにより大きな定格を有する半導体デバイスを有
する取付はシステム２００を用いるかの二者択一の選択
が残されている。前者を選択すると、始動能力が限定さ
れるという結果をもたらす。後者を選択すると装置の経
費及び物理的寸法が大きくなる。更に、後者の選択に関
して述べると、最高接合部温度を超えないが、安定状態
作動期間中の接合部温度が最高接合部温度を実質的に、
例えば、５０％も下回ってしまう。安定状態作動期間中
の斯かる実質的な温度幅は、少なくとも経費の点から見
て、半導体デバイスの非効率な使用を表している。

第３図に図示されている取付はシステムは又、完全に許
容されるものではなかった。曲線５０４（鎖線）は、例
えば装置３００（第３図〉に取り付けられているような
且つモータ電源回路に適用された半導体デバイスの接合
部温度に対応する。

ここで分かるように、この装置は最高接合部温度を超え
ない程度に過渡作動期間中適当なデバイス冷却を行うこ
とが出来る。しかしながら、安定状態作動期間中に体験
する接合部温度、例えば６０°Ｃは、最高接合部温度を
実質的に、即ち５０％以下も下回る。上記に指示されて
いるように、安定状態作動期間中の斯かる温度幅は、半
導体デバイスの非効率的な使用を表す。更に、使用者は
過渡作動を許容するのに要する冷却容量を得るための経
費を負担する。しかも、斯かる冷却容量は安定状態作動
期間中は充分に利用されていない。

九肌例厘刀 本発明の目的は、その最高接合部温度を超えることなし
に半導体デバイスの効率的な使用を行うディスク型半導
体デバイスを取付は且つ冷却するためのシステムを提供
することにある。

別の目的は、始動期間中、半導体デバイスの温度をその
最高接合部温度を下回るように経済的に維持するが安定
状態作動中、半導体デバイスを過冷却することがないシ
ステムを提供することにある。

更に別の目的は、大型モータ等の過渡負荷を制御するの
に用いられる半導体デバイスのためのコンパクトで効率
的な取付は及び冷却システムを提供することにある。

本発明の付加的目的及び利点は、以下の説明に部分的に
説明され、且つ部分的にこの説明から明白となり、ある
いは本発明の実施によって了解される。本発明のこれら
の目的及び利点は、特許請求の範囲に特に指定されてい
る成分及び組合せによって達成される。

本発明のこれらの目的を達成するために、本明細書に実
施され且つ述べられているように、１つ又はそれ以上の
半導体デバイスが安定状態作動の期間中よりも大きな速
度で熱を発生する初期過渡期間を含む使用サイクルに課
せられる上記１つ又はそれ以上の半導体デバイスを取り
付は且つ冷却するためのシステムが提供される。このシ
ステムは、半導体デバイスの少なくとも第１極と熱及び
導電接触している導電端子手段、上記端子手段と熱伝導
接触している第１熱シンク手段であって、デバイス作動
中、上記半導体デバイス内で発生された熱を受けるため
の第１熱シンク、及び上記半導体デバイスと熱導電接触
している第２熱シンク手段であって、デバイス作動中、
上記半導体デバイス内で発生した熱を受けるための第２
熱シンク手段を含み、上記第１及び第２熱シンク手段が
、デバイス作動の所定の過渡及び安定状態期間中、状態
半導体デバイスを所定の最高接合部温度に又はそれより
下に維持するために、各々の第１及び第２所定熱容量を
有することを特徴とする。

笈１匹公立朋 第６図は、本発明に従って構成された半導体装置６００
を示している。装置６００は、バス型バー６０６と導電
接触している半導体ディスク型デバイスを含んでおり、
バー６００は銅がら製造されていることが好ましい。装
置６００は５作動中に半導体デバイスによって発生され
た熱を受けるための第１熱シンク手段を含んでいる。本
明細書で実施されているように、第１熱シンク手段は、
水冷プレート５１０として配設されている。０３８ｍｍ
の公称厚さを有するＣｈｏｉ−ｔｈｅｒｍｌ　６７１　
にューハンプシャー州ハドソン在のコメリクス社製造）
等の１枚の絶縁材６０８が、端末バー６０６を水冷プレ
ート６１０から電気的に絶縁している。

プレート６１０は、銅から製造されていることが好まし
く、水等の冷却液のプレートを通る循環のために、第６
図に線図で通路６１２及び６１４として図示されている
冷却液流通路を有している。

これらの通路への連通のための開口は、第６図ではプレ
ートの一端に線図で示されているが、装置６００の取り
付は及び作動を容易にする場所ならばプレートのどこで
も良く、例えば、プレートの底面でも良い。プレート６
１０を通る冷却液は、熱交換器６２２から受けられてい
るように（矢印６２０）示されており、プレートから放
出される冷却液は、熱交換器に帰還するように（矢印６
２４）示されている。この熱交換器は更に、帰還及び放
出矢印６２６及び６２８によって、外部冷却ループに結
合されているように線図で示されている。熱交換器６２
２の配設は、類似の冷却設備デバイス６００を配設する
ための好ましい技術を表している。又、プレート６１０
は、開冷却ループ、即ち、プレートから放出される冷却
液がプレートに帰還しないループに結合され得る。

装置６００は又、銅から製造されていることが好ましい
バス型端末バー６３０を含んでいる。装置６００は更に
、半導体デバイスによって発生する熱を受けるための第
２熱シンク手段を含む。本明細書において実施されてい
るように、第２熱シンク手段はそれぞれデバイス６０２
及び６０４と端末６３０との間に挟まれている金属ブロ
ック６０２及び６０４の形でもって、２９の熱シンク体
として配設されている。ブロック６３２及び６３４は、
形状が立方形で銅から形成されていることが好ましい。

ブロック６３２及び６３４は、端末バー６３０と、かつ
それぞれデバイス６０２及び６０４と導電接触している
。更に、これらのブロックは又、各々のデバイス６０２
及び６０４と且つ端末バー６３０と熱伝導接触している
。各ブロック６３２．６３４によって、端末バー６３０
とこれに接触している半導体デバイスとの間に導電経路
が提供される。

デバイス６０２及び６０４が一方のデバイスの陰極面と
他方のデバイスの陽極面がそれぞれ同一の端子バーに当
接するように配置されているため、上記のデバ°イスの
並列電気構成配置が達成される。

装置６００の構造がデバイスの極面の斯かる配向に限定
されないことは明白である。これらのデバイスへの電気
的接続を可能にするために、端子バー６０６及び６３０
に孔６４０及び６４２が各々配設される０本発明の装置
は更に、各半導体デバイスに圧縮取り付は力を適用する
ための手段を含む。本明細書に実施されているように、
この力適用手段は、ボールベアリング６５２及び６５４
並びに金属ディスク６５６及び６５８を経由して圧力を
端子バー６３０に適用するための、例えばステンレス鋼
から製造されている好ましい、圧力プレート６５０を含
む、各ベアリング及び金属ディスクは、半導体デバイス
の一方のデバイスの中心と垂直整合して配置されている
。スルーボルト６６０が、圧力プレート６５０、端子バ
ー６０６及び６３０並びに絶縁材６０８を通っており且
つ図示されていない手段によって、冷却プレート６１０
中に固定されている。圧力プレート６５０を通って突き
出ているボルト６６０の端部は、ばね座金６６２及びナ
ツト６６４をうけるためにねじ切られている。ナツト６
６４は、取付は力を端子バー６０６及び６３０にかけて
これら２９の金属ブロック並びに半導体デバイスを圧縮
すめために締め付ける。これらの圧力プレート、ベアリ
ング並びに金属ディスクの配置によって、これら２９の
デバイスの間に圧縮力を均等に配分する。スルーボルト
６６０は、絶縁スリーブによって端子バー６０６及び６
３０から絶縁されていることが好ましい。

端子バーを圧力プレート６５０、ボールベアリング６５
２．６５４並びに金属ディスク６５６．６５８から電気
的に絶縁するために、１枚の電気的絶縁材６７０、例え
ば、０．７６ｍｍの公称厚さを有するアラミツド絶縁紙
（プラウエア州つイルミングトン在のＥ、Ｉ　、デュポ
ン、デネモア社によってＮＯＭＥＸ絶縁材として製造）
が配設されている。

必要ではないが、ブロック６３２には、半導体デバイス
の作動中にブロック温度を監視するべくそれぞれ接続さ
れているサーミスタ６７２又は類似の温度検知デバイス
が配設さていることが好ましい。

動作原理を説明する。デバイス６０２及び６０４が第１
電流を導通する過渡動作期間から成る使用サイクルとそ
の後に続く、これらのデバイスが第１電流よりも小さな
強度の第２電流を導通する安定状態動作期間にこれらの
デバイスが課せられる場合に、金属ブロック６３２及び
６３４を含む装置６００によってデバイス６０２及び６
０４のより効率的な冷却が行われる。装置６００は、モ
ータの電力回路に適用された時に特に動作が有効である
。第５図は、第４図に図示されているような使用サイク
ル並びにデバイス２００及び３００のそれぞれの温度特
性５０２及び５０４に対応する同一の使用サイクルに課
せられた時の装置６００の半導体デバイスの接合部温度
特性を曲線６８０（破線）で示している。了解されるよ
うに、装置６００は、デバイスの接合部温度を最高接合
部温度以下に維持するだけでなく、最高接合部温度を実
質的に下回らない安定状態接合部温度、例えば、１００
℃を提供する。例えば、安定状態接合部温度は、最高接
合部温度の８０％以内に維持され得る。

第５図に示されている温度特性６８０は、パワレックス
社によってＳＣＲ型番Ｔ８２０１２９０として製造され
ている半導体デバイス（各端末バーは、０．６３５ｃｍ
の厚さ及び約２１．６ｃ＋ａの長さを有しており、各銅
熱シンクブロックは、２．８６０１１１の幅、４．７６
ｃｍの奥行き及び３．２ｃｍの高さの略寸法を有する矩
形である）及びモータ安定状態作動期間中に４３°Ｃの
且つ過渡期間中に４６℃の最大水入口温度を有するプレ
ート６１０を通る１、５ｇｐｍの最大水流速の使用に基
づく。特性６８０が対応する装置６００は、金属ブロッ
ク６３２及び６３４を除外して、接合部温度特性５０２
が対応するデバイス２００（第２図）と同じ全体寸法及
びパラメータを有する。接合部温度特性５０２及び６８
０は斯くして、半導体デバイス性能に対する金属ブロッ
ク６３２及び６３４の効果を示している。

特性６８０によって証明された優秀な性能を達成するた
めに、装置６００は、過渡始動作動期間中、半導体デバ
イスによって発生した熱の有意の部分を金属ブロック６
３２．６３４が吸収するように設計されている。これと
比較すると、始動期間中に発生した熱の少部分は、プレ
ート６１０を通って伝達される。斯くして、半導体デバ
イスが始動のために高電流負荷に課せられる４０秒期間
の間、発生した熱の有意の部分は、部分６３２及び６３
４に伝達され、これらのブロックは温度が徐々に上昇す
る。始動作動が終了すると、システム全体が安定状態に
戻り、ここで、各ブロックは、安定状態作動期間中、各
デバイスによって発生した無視可能な量の熱を吸収し、
これによりプレート６１０は、この熱の大部分を受ける
。その結果、ブロック６３２及び６３４並びに半導体デ
バイスは、より低い好ましい作動温度に達する。

サーミスタ６７２によって、前に作動していたモータを
再始動したい場合、ブロックが充分に低い温度に冷却さ
れるまで再始動を防止することが出来るように、ブロッ
ク温度の決定を可能にする。

即ち、再始動の際、デバイスの最大接合部温度を超えな
いように始動期間中、その関連の半導体デバイスによっ
て発生した熱を各ブロックに吸収せしめる初期温度に各
ブロックが置かれることが好ましい。同様に、なんらか
の理由により、システムが設計される目的の始動期間内
にモータが始動しない場合、サーミスタは実際に、半導
体デバイス及び取付はシステムが自然れされるまで始動
が試みられるべきではないことを、使用者（又はモータ
の制御装置）に知らせる。更に、サーミスタによって、
安定状態作動中にデバイス接合部温度を監視するための
便利な手段が与えられる。

第７図は、装置６００中で生じる熱伝達を電気成分でも
って模する電気回路アナログ７００を示している。当接
術において公知であるように、斯かる回路アナログは、
回路アナログの異なった点で温度値を生じるために、こ
れら種々の回路成分の熱パラメータを用いて評価され得
る。斯くして、電気抵抗は熱抵抗に相当し、コンデンサ
は熱コンデンサに相当し、電圧及び電圧供給源は温度及
び基準温度に相当し、電流及び電流源は熱流及び熱流の
源に相当する。特定の条件の場合、回路アナログ７００
を用いて、特定の応用のためにブロック６３２および６
３４の適当な寸法を計算することが出来る。装置６００
の対称性により、回路アナログ７００は、唯１つの半導
体デバイス及び熱シンクブロックを表すように構成配置
される。

第７図について説明する。ノードＡは、半導体デバイス
の接合部温度に相当する。斯くして、ノードＡの場合に
ついて計算された電圧は、接合部温度に相当する。ＲＪ
−０は、ディスク内いに納められた半導体デバイスとデ
ィスク極面の内側との熱抵抗を表す。Ｒｃ−＋＜は、デ
バイスの極面と熱体（即ち、金属ブロック）との熱抵抗
を表し、Ｃ８は、熱体の熱容量を表す。電圧供給源■２
は、使用サイクルの開始における、ノードＢの００基準
に対する熱体の相対的な仮定された初期温度を表す、Ｒ
ｃ−ｉは、ディスクと端子バー６０６との熱抵抗を表す
。Ｒ３−，は、端子バー６０６とその間に挟まれＣいる
絶縁材６０８を含むプレート６１０との熱抵抗を表す。

Ｃ５、Ｃ９及びＣＭは、それぞれ、端子バー６０６の熱
容量、プレート６１０の熱容量、及びプレートと熱交換
器の間に形成された冷却ループに含まれている水の熱容
量を表す。

Ｒｐ−ｗは、プレート６１０とその中を流れる水との熱
抵抗を表す。Ｒ１ｌ−ｔは、熱交換器６２２に跨る、即
ち、プレート６１０に接続された冷却ループと矢印６２
６及び６２８によって表される外部冷却ループとの熱抵
抗を表す。電圧供給源■１は、外部ループ中の水が熱交
換器６２２に入る時のその仮定された温度を表す。電流
源いは、半導体接合部において発生した熱を表す。斯く
して、温度（℃）、熱容量（ジュール／’Ｃ）及び熱抵
抗（℃／ワット）を用いることにより、回路アナログ７
００を解して、所定の使用サイクルにわたって、ノード
Ａの温度を最大接合部温度より少なくあるいは等しい値
に限定するＣＮ適当な値を決定することが出来る。ＣＭ
の値を決定する際、ブロックの物理的サイズを決定する
ことが出来る。必要な回路分析を実行するためのコンピ
ュータプログラムが市販されている。例示的なプログラ
ムは、カリフォルニア州すニーベール在のアナログデザ
インツール社によて市販されている「アナログワークベ
ンチ」プログラムである。

第１表に、上記の回路エレメントに対する１組の例示値
を挙げる。これらの値は、パワレックス社製造の型番Ｔ
７２０−４５等のＳＣＲである半導体デバイスに基づい
ている。

第１表 ＲＪ−、＝０．１２℃／ワット Ｒ，、＝　０．０４０℃／ワット Ｒｅ−５＝　０．０４０℃／ワット Ｒ，−、＝　０．０７４℃／ワット Ｒ，，＝　０．０４８３℃／ワット Ｒ，，＝０．０１３６℃／ワット Ｃｚ＝４６２．６ジユール／℃ Ｃ，＝４３２．４ジユール／”Ｃ Ｃ，＝６８．１２ジユ一ル／℃ Ｃ，＝１３１３ジュール／℃ Ｖｌ＝３７．７℃ Ｖ２＝４３．３℃ Ｉ（過渡作動）＝５４０アンペア Ｉ（安定状態作動）−１５０アンペア 熱交換器６２２が用いられず且つプレート６１０が開冷
却ループに結合されている場合、Ｃ２は非常に大きくな
り、ＲＩＩＫは短絡回路になることが銘記されよう。第
１表に示されている金属ブロックに対する熱容量Ｃ，は
、５−４０ｃｍの幅、７．３０ｃＩの奥行き及び３．２
ｃｍの高さの寸法を有する矩形銅ブロックに対応するこ
とも銘記されよう。

第６図に示されている半導体装置６００は冷却液が循環
するプレート６１ｏを含んでいるが、本発明はそのよう
に限定されるものではない。第８図は、プレート６１０
が空冷金属フィン８０２に置き換えられている点を除け
ば、装置６００と同等の半導体装置８００を示している
。金属プロッりが過渡作動期間中、半導体接合部によっ
て発生した熱の有意の部分を吸収するため、これらのフ
ィンは、安定状態作動期間に対応する冷却要求条件を満
たすように寸法取りするだけでよいことが銘記されよう
。フィンは金属である必要がなく且つ適当な非金属の熱
伝導性の材料から構成され得ることが銘記されよう。

第９図は、３相電源９０２の形にあるＡＣ電源、３相モ
ータ９０４の形にあるＡＣ負荷、電源９０２からモータ
９０４への電力の流れを制御するための、ＡＣスイッチ
９０６の形にある、半導体エレメントの構成を含む電源
装置９００を示している。ＡＣスイッチ９０６は、３対
のＳＣＲから成っており、各対は一方ＳＣＨの陽極に並
列に接続されており、このＳＣＲは他方のＳＣＨの陰極
に接続されている。斯くして各対のＳＣＲは、半導体デ
バイス６０２及び６０４がＳＣＲとして配設されている
装置６００の形でもっては配設され得る。

この目的を達成するために、ＡＣスイッチ９０６の各対
のＳＣＲにおけるこの２９のＳＣＲは６０２及び６０４
の参照数字を与えられ、各々の並列接続対のＳＣＲは６
００の参照数字を与えられる。

装置９００は又、モータ９０４への電力の流れを制御す
るために各々のＳＣＲに適当なゲート信号を発生し且つ
適用するための図示されない手段を含んでいる。

装置９００の作動において、ＡＣ電源が付勢されると、
ゲート信号がスイッチ９０６のＳＣＲに適用されて電流
をモータ９０４へ流入せしめる。

この電流の流入により、モータがその定格作動速度に達
するのに要する時間に相当する期間長を有する過渡作動
期間を開始せしめる。なお、モータ始動電流■１０．は
、モータ運転電流Ｉ　ｒｕｎより大きく、例えば、Ｉ　
５ｔａｒｔ”　３　Ｘ　Ｉ　ｌｑｐとなる。過渡作動期
間の後には、モータの安定状態期間が続き、この期間中
、電流Ｉ　ｒｔ＋ｎが流れる。モータ９０４の始動及び
運転の期間中、スイッチ９０６の各々のＳＣＲは最大接
合部温度がＳＣＲの始動及び効率的な使用が為されてい
る間は超えられないような第５図に示されている特性６
８０に類似の接合部温度特性を体験する。

例としてのみ、液冷却器を作動せしめる２０１馬力３相
ＡＣモータに用いられる半導体始動機は、３つの別の取
り付は及び冷却システムに取り付けられている６個のＳ
ＣＲを含む。この例示システムにおいて、モータは定格
４６０ボルトであり且つ始動装置によって制御され、約
４０秒の期間にわたる始動の期間中、約７００アンペア
を引き、約２６０アンペアの安定状態作動電流を引く。

これら３つのＳＣＨ取り付は及び冷却システムは各々、
上記の半導体装置６００として構成配置される。各ＳＣ
Ｒは、パフレックス社製造の型番Ｔ７２０１２４５ＳＣ
Ｒとして提供されており、１２５℃の最大接合部定格を
有している。各金属ブロックは、銅から形成されており
、５．４ｃ＋ｎの幅、７゜３ｃｍの奥行き及び３．２ｃ
＋ｎの高さの寸法を有する矩形である。作動の期間中、
４３°Ｃの最高温度を有する冷却水が１背当たり約５．
６８１の速度で装置６００の水冷プレートを通って循環
する。バスパー６０６及び６３０は、銅から形成されて
おり、各々は４．４５ｃ＋＋幅、２１．６ｃａ＋長さ及
び０．６４ｃｍ厚さを有する。これらの例示的条件の下
で且つ４０秒の始動期間にわたって１つの半導体デバイ
スにより消費される平均電力に基すいて、金属ブロック
は、水冷プレートが２６０ワツトに相当する熱を吸収す
る時、２８０ワツトの消費電力に相当する熱を吸収する
ように計算される。安定状態作動の期間中、水冷プレー
トは、半導体デバイスによって消費される実質的に全て
の電力を吸収するように計算される。

本発明に係る半導体装置の金属ブロックは銅から形成さ
れているが、本発明はそのように限定されるものではな
い。本発明は、ブロックが他の材料、化合物又は合金か
ら形成されても首尾良〈実施され得る。斯かる場合、ブ
ロックの各々のサイズは、用いられるブロック材料の熱
容量に従って調節を必要とする。更に、端子バーは銅と
して提供されるのが好ましいが、アルミニウーム等の別
の導電材料に置き換えることも出来る。更に、水冷プレ
ート６１０は銅として形成されるのが好ましいが、プレ
ートは、異なった熱伝導性金属又は非金属材料から構成
され得る。

本発明に係る半導体装置は２枚のディスク型半導体デバ
イス及び対応する金属ブロックを含んだ状態で図示され
ているが、本発明はそのように限定されない。本発明は
、唯１枚のディスク型デバイスを含む半導体装置に容易
に実施され得る。斯かる場合、唯１つの金属ブロックの
みが、単一デバイスの一方の極面に熱及び電気的接触し
た状態で配設され且つ取り付けられる。又、３枚以上の
ディスク型半導体デバイスを含むために半導体装置を本
発明に従って構成することが出来る。斯かる装置におい
ては各半導体デバイスに対して異なった金属ブロックが
配設されることが好ましいが、これらのデバイスの所要
の電気的接続に従って特定の構成のデバイスを配置しな
ければならない。

如何なる場合においても、各デバイスは、水冷又は空冷
手段と間接接触している一方の極面を且つ熱シンク体と
して働く金属ブロックに接触している他方の極面を有す
る。

半導体装置６００及び８００は、その中に各々の半導体
デバイスと接触している２９の金属ブロックを含む状態
で図示されているが、本発明はそのように限定されない
。両方の半導体デバイスに接触するための唯１つの金属
ブロックをこれらの２９のブロックに置き換えるこが出
来る。斯かる場合、この唯１つのブロックは、両方のデ
バイスとの良好な電気的且つ熱伝導接触を保証するよう
に形成される。更に、このブロックは、スルーボルトの
通過を可能にするために開口を含む。装置６００及び８
００は、各金属ブロックが半導体デバイスと端子バー６
３０の間に介在した状態で構成されるのが好ましいが１
本装置は、端子バーが金属ブロックと半導体デバイスと
間に介在した状態で構成され得る。

本発明は、冷却液として水を利用する装置に限定されな
い、装置６００として実施される本発明は、他の冷却液
を用いても等しい効果で実施され得る。

装置６００及び８００は、圧縮取付は力をディスク型半
導体デバイスに適用するための特定の構成を含む状態で
説明されているが、この力を適用する他の構成も当技術
において公知である。本発明は、斯かる他の構成を用い
ても、等しい効果で実施され得る。

第１図乃至３図、６図及び８図に図示の装置は、それら
の種々の成分間の熱及び導電接触を含む状態で示されて
いるが、本装置は、これらの成分間の離間を示すように
説明されている。斯かる離間は各装置を説明する際によ
りはっきりするように含まれる。ここで、各装置に適当
な圧縮力を適用する際、斯かる離間は存在しないことが
了解される。

【図面の簡単な説明】

第１図はディスク型半導体デバイスを取り付けるための
当技術において公知の構成配置を示す図、第２図は２９
のディスク型半導体デバイスを取り付けるための当技術
において公知の構成配置を示す図、第３図は２９のディ
スク型半導体デバイスを取り付けるための当技術におい
て公知の別の構成配置を示す図、第４図は半導体デバイ
スが課せられ得る例示的使用サイクルを示す図、第５図
は異なった環境にある半導体デバイスの１組の接合部温
度特性を示す図、第６図は本発明に係る実施例に従って
構成された半導体装置を示す図、第７図は第６図に示さ
れた半導体装置に生じる熱伝達を模するための電気回路
を示す図、第８図は本発明に係る別の実施例に従って構
成された半導体装置を示す図、第９図は本発明に係る半
導体装置を含む電源システムを示す図である。 ６００・・・装置、 ６０２．６０４・・・半導体デバイス、６０６・・・端
子バー　　６１０・・・プレート、６２２・・・熱交換
器、　６７２・・・サーミスタ、６３２．６３４・・・
金属ブロック。 滲ｆ扇 子３．）４ ｉ４．＋３ 号５．）ａ 奈６）２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、１つ又はそれ以上の半導体デバイスが安定状態作動
   の期間中よりも大きな速度で熱を発生する初期過渡期間
   を含む使用サイクルに課せられる上記１つ又はそれ以上
   の半導体デバイスを取り付け且つ冷却するための装置に
   おいて、 半導体デバイスの少なくとも第１極と熱及び導電接触し
   ている導電端子手段、 上記端子手段と熱伝導接触している第１熱シンク手段で
   あって、デバイス作動中、上記半導体デバイス内で発生
   された熱を受けるための第１熱シンク、及び 上記半導体デバイスと熱導電接触している第２熱シンク
   手段であって、デバイス作動中、上記半導体デバイス内
   で発生した熱を受けるための第２熱シンク手段 を含み、 上記第１及び第２熱シンク手段が、デバイス作動の所定
   の過渡及び安定状態期間中、半導体デバイスを所定の最
   高接合部温度に又はそれより下に維持するために、各々
   の第１及び第２所定熱容量を有することを特徴とする装
   置。 ２、上記第２熱シンク手段が、過渡期間中温度が上昇す
   るように且つ上記最高接合部温度に近ずくが超えること
   がない温度に達するように設計された実体ブロックであ
   ることを特徴とする請求項１記載の装置。 ３、上記第２熱シンク手段が、各半導体デバイスに対す
   る別のブロックを含むことを特徴とする請求項２記載の
   装置。 ４、上記第１熱シンク手段が、空冷フィンを含むことを
   特徴とする請求項３記載のシステム。 ５、上記第１熱シンク手段が、液冷却手段を含むことを
   特徴とする請求項３記載の装置。 ６、半導体装置において、 互いに対向する第１及び第２極面を有するディスク型半
   導体デバイス、 上記デバイスの上記第１極面と熱及び導電接触している
   第１導電端子手段、 上記第１端子手段と熱伝導接触している第１熱シンク手
   段であって、デバイス作動の期間中、上記半導体デバイ
   ス内で発生した熱を受けるための第１熱シンク手段、 上記半導体デバイスと熱伝導接触している第２熱シンク
   手段であって、デバイス作動中、上記半導体デバイス内
   で発生した熱を受けるための第２熱シンク、及び 上記第２熱シンク手段と上記半導体デバイスをその間に
   圧縮するために圧縮取付力を適用するための手段 を含み、 上記第１及び第２熱シンク手段が、デバイス作動の所定
   の過渡及び安定状態期間中、上記半導体デバイスを所定
   の最高接合部温度に又はそれより下に維持するために、
   各々の第１及び第２所定熱容量を有し、上記半導体デバ
   イスが上記過渡作動期間中、上記安定状態作動の期間中
   よりも大きな速度で熱を発生することを特徴とする半導
   体装置。 ７、第２導電端子手段を更に含み且つ上記第２熱シンク
   手段が上記半導体デバイス及び上記第２端子手段と熱及
   び導電接触していることを特徴とする請求項６記載の半
   導体装置。 ８、上記第１熱シンク手段が、空冷フィンを含むことを
   特徴とする請求項６記載の半導体装置。 ９、上記第１熱シンク手段が液冷却手段を含むことを特
   徴とする請求項６記載の半導体装置。 １０、上記液冷却手段が冷却液を受けるためにその中に
   冷却液流通路を有するプレートを含むことを特徴とする
   請求項９記載の半導体装置。 １１、上記プレートが銅から形成されており、上記冷却
   液が水であることを特徴とする請求項１０記載の半導体
   装置。 １２、上記第２熱シンク手段が所定の質量を有するブロ
   ックを含むことを特徴とする請求項６記載の半導体装置
   。 １３、上記ブロックが上記過渡作動期間中、上記半導体
   デバイスによって発生した熱の有意の部分を受けるのに
   且つ上記半導体デバイスの温度が所定の最高接合部温度
   を超えないように防止するのに充分な熱容量を有するこ
   とを特徴とする請求項１２記載の半導体装置。 １４、上記第１熱シンク手段が空冷フィンを含むことを
   特徴とする請求項１３記載の半導体装置。 １５、上記第１熱シンク手段が液冷却手段を含むことを
   特徴とする請求項１３記載の半導体装置。 １６、上記液冷却手段がその中に冷却液流を有するプレ
   ートを含むことを特徴とする請求項１５記載の半導体装
   置。 １７、上記プレートが銅から構成されており、上記冷却
   液が水であることを特徴とする請求項１６記載の半導体
   装置。 １８、上記第１熱シンク手段が空冷フィンを含むことを
   特徴とする請求項１２記載の半導体装置。 １９、上記第１熱シンク手段が液冷却手段を含むことを
   特徴とする請求項１２記載の半導体装置。 ２０、上記液冷却手段がその中に冷却液流を有するプレ
   ートを含むことを特徴とする請求項１６記載の半導体装
   置。 ２１、上記プレートが銅から形成されており、上記冷却
   液が水であることを特徴とする請求項２０記載の半導体
   装置。 ２２、上記半導体デバイスがＳＣＲであることを特徴と
   する請求項６記載の半導体装置。 ２３、上記第２熱シンク手段の温度を測定するための手
   段を更に含むことを特徴とする請求項６記載の半導体装
   置。 ２４、上記第１熱シンク手段を上記第１端子手段から電
   気的に分離するために上記第１端子手段と上記第１熱シ
   ンク手段との間に介在された電気的絶縁手段を更に含む
   ことを特徴とする請求項６記載の半導体装置。 ２５、半導体装置において、 第１ディスク型半導体デバイス、 第２ディスク型半導体デバイスであって、上記第１及び
   第２半導体デバイスが各々互いに対向する極面を有して
   いる第１及び第２ディスク型半導体デバイス、 各上記半導体デバイスの一方の極面に熱及び導電接触し
   ている第１導通端子手段、 第２導通端子手段、 上記第１端子手段と熱伝導接触している第１熱シンク手
   段であって、デバイス作動中、上記第１及び第２半導体
   デバイス内で発生した熱を受けるための第１熱シンク手
   段、 各上記第１及び第２半導体デバイスの他方の極面と上記
   第２端子手段との間に介在した第２熱シンク手段であっ
   て、デバイス作動中、各上記第１及び第２半導体デバイ
   ス内で発生した熱を受けるための第２熱シンク手段であ
   って、上記第２端子手段に導電接触しており且つ上記第
   １及び第２半導体デバイスの各々の他方の極面に導電接
   触しており、上記第１及び第２半導体デバイスの各上記
   他方の極面から上記第２端子手段への導電経路を提供す
   る第２熱シンク、及び 上記第２熱シンク手段及び上記第１及び第２半導体デバ
   イスをその間に圧縮するために圧縮力を上記第１及び第
   ２端子手段にわたって適用するための手段を含み、 上記第１及び第２熱シンク手段が、デバイス作動の所定
   の過渡及び安定状態期間中、各上記第１及び第２半導体
   デバイスにおける接合部温度を所定の最高接合部温度に
   又はそれより下に維持するために、各々の第１及び第２
   所定熱容量を有し、上記第１及び第２半導体デバイスが
   上記過渡作動期間中、上記安定状態作動の期間中よりも
   大きな速度で熱を発生することを特徴とする半導体装置
   。 ２６、各上記第１及び第２半導体デバイスが、正及び負
   極面を有し且つ上記第１端子手段が一方の正極面及び他
   方の半導体デバイスの負極面に接触していることを特徴
   とする請求項２５記載の半導体装置。 ２７、上記第２熱シンク手段が上記第１及び第２半導体
   デバイスと各々、熱及び導電接触の両方をなしている第
   １及び別の第２ブロックを含むことを特徴とする請求項
   ２５記載の半導体装置。 ２８、上記第１熱シンク手段が冷却液を受けるためにそ
   の中に冷却液流通路を有するプレートを含むことを特徴
   とする請求項２７記載の半導体装置。 ２９、上記プレートが銅から形成されており、上記冷却
   液が水であることを特徴とする請求項２８記載の半導体
   装置。 ３０、半導体装置において、 第１ディスク型半導体デバイス、 第２ディスク型半導体デバイスであって、上記第１及び
   第２半導体デバイスが各々互いに対向する極面を有して
   いる第１及び第２ディスク型半導体デバイス、 対向する第１及び第２面を有する第１導通端子バーであ
   って、上記第１面が一方の半導体デバイスの正極面及び
   他方の半導体デバイスの負極面と熱及び導電接触してい
   る第１導通端子バー、第２導通端子手段、 上記第１端子バーと熱伝導接触している第１熱シンク手
   段であって、デバイス作動中、上記第１及び第２半導体
   デバイス内で発生した熱を受けるための第１熱シンク手
   段、 上記第１熱シンク手段を上記第１端子バーから電気的に
   分離するために上記第１熱シンク手段と上記第１端子バ
   ーとの間に介在している絶縁材の層、 各上記第１半導体デバイスと上記第２端子バーとの間に
   介在した第２熱シンク手段であって、デバイス作動中、
   各上記第１半導体デバイス内で発生した熱を受けるため
   の第２熱シンク手段であって、上記第２端子バーに導電
   接触しており且つ上記第１半導体デバイスに熱及び導電
   接触しており、上記第１半導体デバイスから上記第２端
   子バーへの導電経路を提供する第２熱シンク、 上記第２半導体デバイスと上記第２端子バーとの間に介
   在している第３熱シンクであって、デバイス作動中、各
   上記第２半導体デバイス内で発生した熱を受けるための
   第３熱シンク手段であって、上記第２端子バーに導電接
   触しており且つ上記第２半導体デバイスに熱及び導電接
   触しており、上記半導体デバイスの第１極面から上記第
   ２端子バーへの導電経路を提供する第３熱シンク、及び
   上記第２及び第３熱シンク手段及び上記第１及び第２半
   導体デバイスをその間に圧縮するために圧縮力を上記第
   １及び第２端子バーにわたって適用するための手段を含
   み、 上記第１、第２及び第３熱シンク手段が、デバイス作動
   の所定の過渡及び安定状態期間中、各上記第１及び第２
   半導体デバイスにおける接合部温度を所定の最高接合部
   温度に又はそれより下に維持するために、各々の第１、
   第２及び第３所定熱容量を有し、上記第１及び第２半導
   体デバイスが上記過渡作動期間中、上記安定状態作動の
   期間中よりも大きな速度で熱を発生することを特徴とす
   る半導体装置。 ３１、調節電源装置において、 ＡＣ源、 電気的負荷、及び 上記ＡＣ源から上記負荷への電力流を調節するための半
   導体回路であつて、 互いに対向する第１及び第２極面を有しているディスク
   型半導体デバイス、 上記デバイスの第１極面に熱及び導電接触している第１
   導通端子手段、 第２導通端子手段、 上記第１端子手段と熱伝導接触している第１熱シンク手
   段であって、デバイス作動中、上記半導体デバイス内で
   発生した熱を受けるための第１熱シンク手段、 上記第２極面と上記第２端子手段との間に介在した第２
   熱シンク手段であって、デバイス作動中、上記半導体デ
   バイス内で発生した熱を受けるための第２熱シンク手段
   であって、上記第２端子手段に導電接触しており且つ上
   記第２極面に熱及び導電接触しており、上記第２極面か
   ら上記第２端子手段への導電経路を提供する第２熱シン
   ク、及び上記第２熱シンク手段及び上記半導体デバイス
   をその間に圧縮するために圧縮力を上記第１及び第２端
   子手段にわたって適用するための手段を含む半導体装置
   であって、 上記第１及び第２熱シンク手段が、デバイス作動の所定
   の過渡及び安定状態期間中、接合部温度を所定の最高接
   合部温度に又はそれより下に維持するために、各々の第
   １及び第２所定熱容量を有し、上記半導体デバイスが上
   記過渡作動期間中、上記安定状態作動の期間中よりも大
   きな速度で熱を発生することを特徴とする半導体装置 を含む回路手段 を含むことを特徴とする調節電源装置。