JPH09129794A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】加圧圧接される複数個の半導体素子の温度分布
を均一化を目的とする。 【解決手段】両最端部の冷却フィンの冷却効率に比べそ
れ以外の冷却フィンの冷却効率を高くする。 【効果】各素子の放熱量が均一化するため素子温度が一
様になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は大容量の半導体装置
に関わる。

【０００２】

【従来の技術】圧延機用インバータ等の大容量の電力を
扱う装置においては、高耐圧，大電流容量の整流機能を
有する半導体整流素子が用いられる。高耐圧半導体整流
素子にはダイオード，サイリスタ，ＧＴＯ（ゲートター
ンオフサイリスタ），トライアック，逆導通サイリスタ
や絶縁ゲート型サイリスタ等といった素子がある。これ
ら大容量の半導体整流素子としては、二つの主電極を有
し、この両主電極面より加圧し、電気的な接触をとる平
型半導体整流素子が用いられる。

【０００３】また、大容量装置では複数の半導体整流素
子が並列や直列あるいはブリッジ型に接続されて用いら
れる。半導体整流素子は、その温度が定格よりも高くな
ると、電圧阻止能力の低下，損失の上昇等を引き起こし
正常な装置動作を得ることが困難となる。このため、大
容量の平型半導体整流素子は両面に冷却フィンを加圧圧
接して用いられる。

【０００４】このような従来技術としては、例えば特開
昭57−183060号公報，特開昭58−131754号公報，特開昭
59−9949号公報に記載されているものがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】半導体整流素子が順方
向の導通状態から、阻止状態へ変化する際に、流れる電
流の時間積分値によって定義される阻止状態回復電荷が
ある。以降これをＱｒｒと呼ぶ。大容量の半導体整流素
子を多数接続する場合、Ｑｒｒの値によって電圧の分担
が決定される。つまり、Ｑｒｒの大きな素子に印加され
る阻止電圧は小さく、逆にＱｒｒの小さい素子に印加さ
れる阻止電圧は大きくなる。このため、Ｑｒｒのばらつ
きが大きくなると素子の破損をきたすことがある。この
ため、複数の素子を直列ないし並列に接続する場合に
は、一般に素子特性のよりそろった半導体整流素子を選
んで用いていた。しかし、同じ特性の素子を用いても、
その冷却性能にバラツキがあると、半導体層の温度が異
なり、素子自体の特性に変動を生じさせる。

【０００６】上記従来技術においては半導体素子の冷却
能率のばらつきを低減するものである。冷却に用いられ
る媒体をシリーズに冷却フィンに導入するため媒体の温
度がファンから遠ざかるにつれて加熱され高温となり、
素子温度にバラツキを生じさせる。これら従来技術にお
いてはこの冷却ファンからの遠近による温度勾配を低減
する技術であった。冷媒を並列に導入した場合、冷媒の
温度は同じ温度となる。そのため、このような冷却フィ
ンへの導入時に生じる冷却媒体の温度バラツキが均一化
される。

【０００７】しかし、三つ以上の平型半導体素子が、そ
れらの各々が冷却フィンによりはさまれるようにして加
圧接触される場合には、同じ冷却媒体を、同じ量，同じ
構造の冷却フィンに導入し、ほぼ同等の負荷を半導体整
流素子に与え発熱を生じさせているにも関わらず、両最
端部の半導体素子の電圧分担が大きくなる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明においては、整流
機能を有する三つ以上の平型半導体素子が冷却フィンに
より両面より冷却され、冷却フィンの数は半導体素子の
数よりも一つ多く、冷却フィンと半導体整流素子は冷却
フィンを最端部として交互に並べられ、冷却フィンには
冷却媒体が並列に導入され、冷却フィンの外部より加圧
接触せしめられている半導体装置において、両最端部の
冷却フィンの冷却効率に比べそれ以外の冷却フィンの冷
却効率を高める。

【０００９】上記手段は以下の作用を有する。

【００１０】まず、本発明が解決しようとする課題で記
載した問題点は以下のような理由により生じる。

【００１１】一般に、平型半導体素子が冷却フィンによ
り両面より冷却され、冷却フィンの数は半導体素子の数
よりも一つ多く、冷却フィンと半導体素子は冷却フィン
を最端部として交互に並べられる。既に述べたように、
冷却フィンには、素子温度の均一化を図るために冷却媒
体が導入される。従って、半導体素子を３個以上加圧接
触する場合、最端部の冷却フィンは隣接する最端部の半
導体素子のみを冷却することとなる。

【００１２】一方、最端部以外の冷却フィンはその両側
に半導体素子を有するために、その両側の二つの半導体
素子を冷却することとなる。

【００１３】冷却フィン中に流れる冷却媒体はフィン中
を通過する際に加熱昇温される。このため、最端部の冷
却フィン中の冷却媒体の上昇温度にくらべ、それ以外の
フィン中における上昇温度の方が大きくなる。このた
め、最端部のフィンの冷却効率がそれ以外のフィンの冷
却効率よりも高くなる。よって、冷却効率の高い最端部
の冷却フィンに隣接する両最端部の半導体素子の温度が
それ以外の半導体素子の温度よりも低くなる。この結
果、半導体素子の温度バラツキが許容値よりも大きくな
ると、Ｑｒｒの温度依存性により最端部の半導体素子の
みが他の半導体素子よりもＱｒｒが低くなり、印加され
る逆方向電圧にアンバランスが生じるものである。

【００１４】そこで、このような半導体装置において両
最端部の冷却フィンの冷却効率に比べそれ以外の冷却フ
ィンの冷却効率を高めることで、上記のような最端部の
フィンへの熱流量が、他のフィンの一方の面より流れ込
む熱流量と同等とするものである。この結果、両最端部
の半導体素子の温度を最端部あるいは内部に関わらず同
等とすることが可能となる。さらに、半導体素子の温度
を同等とすることでＱｒｒのバラツキをなくし、またさ
らに、印加される逆電圧のバラツキを低減することがで
きる。

【００１５】本発明をさらに具体的に説明する。

【００１６】上記、半導体装置の両最端部の冷却フィン
を風冷し、それ以外の冷却フィンを水または油を循環し
て冷却することで、素子温度のバラツキを低減すること
ができる。これは、風冷冷却フィンに比べ、水冷あるい
は油冷フィンの方が熱交換効率が優れているために最端
部の冷却フィンよりも内部の冷却フィンの方が放熱効率
が向上するからである。

【００１７】また、水冷あるいは油冷フィンの数も従来
技術による方法に比べ一つのモジュールあたり２個低減
するためにトータルの循環冷却媒体の流量は同じでも、
一つのフィンあたりの流量が増すために素子温度の低減
を図ることができる。

【００１８】また、両最端部冷却フィンにおける冷却媒
体の流量をそれ以外の冷却フィンにおける冷却媒体の流
量よりも低下させることで、最端部の冷却フィンよりも
内部の冷却フィンの方が放熱効率が向上し素子温度のバ
ラツキを低減することができる。また、フィンの数も従
来技術による方法に比べ内部のフィンにおいては一つの
フィンあたりの流量が増すために素子温度の低減，損失
の低減，高信頼化を図ることができる。

【００１９】また、最端部の冷却フィンの循環経路のコ
ンダクタンスをそれ以外の冷却フィンのコンダクタンス
よりも低める手段を有することで最端部のフィンの水量
を自由に調節可能となり同様の効果を得ることができ
る。

【００２０】また、いずれのフィンにおいても同じ流量
の冷却媒体が流れる場合においても、フィンの入り口に
おける冷却媒体の温度が最端部のフィンについてのみ高
く設定することでフィンの冷却能率に分布を持たせ素子
温度を一定とすることができる。

【００２１】また、最端部の半導体素子と最端部の冷却
フィンとの間に導電体を有し該導電体により加圧するこ
とで、最端部の素子から最端部のフィンに流れる熱量を
調節可能となり、素子温度を一定にすることができる。

【００２２】また、最端部の冷却フィンの熱抵抗を他の
冷却フィンの熱抵抗よりも高くして、最端部の素子から
最端部のフィンに流れる熱量を調節し、素子温度を一定
にすることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例を図面を用
い説明する。

【００２４】（実施例１）図１には本発明の第一の実施
例である複数のサイリスタを直列接続した半導体装置
(以下サイリスタモジュールと記す)と各冷却フィンに流
れる冷却媒体の流量を示した。本モジュールは６ケの平
型サイリスタ（１０１１,１０１２,１０１３，１０１
４，１０１５，１０１６）と７ケの冷却フィン（１０２
１，１０２２，１０２３，１０２４，１０２５，１０２
６，１０２７）、及び加圧器(１０３０)より構成されて
いる。

【００２５】各冷却フィンに流れる冷却媒体としては純
水が用いられている。純水は各フィンにテフロン製の絶
縁パイプ（１０４１,１０４２,１０４３,１０４４,１０
４５，１０４６，１０４７）を経由して並列に導入され
ている。両方の最端部の冷却フィンに導入されるテフロ
ンパイプには流量調節用バルブ(１０５１，１０５２)に
よって純水の流量が調節される。図１上部のグラフが示
すように、フィン１には７.５リットル／分、フィン２
からフィン６には約１２.５リットル／分、フィン７に
は９リットル／分の流量で冷却水が導入され各サイリス
タを冷却している。

【００２６】図２には従来技術によるサイリスタモジュ
ールと各サイリスタの素子温度とターンオフ後に印加さ
れる逆方向電圧を示した。本モジュールでも図１と同様
に６ケの平型サイリスタ（３０１１，３０１２，３０１
３，３０１４，３０１５，３０１６）と７ケの冷却フィ
ン（３０２１，３０２２，３０２３，３０２４，３０２
５，３０２６，３０２７）、及び加圧器（３０３０）よ
り構成されている。いずれのフィンにおいても７.１ リ
ットル／分の流量の冷却水が循環しており、フィン入り
口における水温もほぼ同等の温度となっている。７つの
フィンの合計の水量は図１に示した本発明の実施例と同
じ流量である。

【００２７】図２のモジュールが連続動作を行っている
時の素子温度は素子１では３７度、素子２から５では６
５度、素子６では５１度である。また、ターンオフ後に
印加される逆方向電圧は素子２から５では１ｋＶである
のに対し、素子１及び６ではその倍の２ｋＶが印加され
る。

【００２８】これに対して、図１に記載した、本発明の
実施例の場合の素子温度と逆方向電圧を図３に示してい
る。素子温度は５０度、逆方向電圧はすべて、１.３ ｋ
Ｖで一定である。また、逆方向電圧が均一化されている
ので、トータル損失が図２のモジュールに比べ、約５％
程度減少している。また、図３にはターンオフ時の素子
電流及び素子電圧の一例をしめした。最端部の素子１が
その内側の素子２と同等の特性を示している。

【００２９】これに対し、図４には図３と同じタイミン
グで電流が減少した場合、従来モジュールにおける、電
流電圧波形例を示す。本図は、図２に示した、ターンオ
フ時に最大の電圧が印加される素子１及び最小の電圧が
印加される素子２についてその波形を示したものであ
る。

【００３０】素子２では逆方向電圧が印加された後に順
方向電圧が印加されるまでの期間は、素子１に比べ短
く、素子２のターンオフ時間よりも短い時間内に順方向
電圧が加わるために、順方向電圧が加わった後に誤点弧
が生じ、ターンオンしてしまう。このような、誤動作を
防ぐために、従来技術では個々の素子のターンオフ時間
以上のターンオフ期間となるように外部回路より制御す
る必要がある。これに対し、本実施例によれば素子のタ
ーンオフ期間と同等のオフ期間まで、制御範囲を広げる
ことができる。

【００３１】半導体素子の損失は定常運転時はほぼ同じ
損失を生じるが、負荷の変動による送電量の変動等によ
り損失が変動し図１に示す水量が素子温度あるいは電圧
分担を均一にする最適な水量からずれが生じる場合があ
る。このような場合には、次のようにして水量をコント
ロールすればよい。

【００３２】図７に水量演算部の模式図を示す。それぞ
れの半導体素子の電流(Ｉ１〜Ｉ６)電圧（Ｖ１〜Ｖ６）
が随時モニタされ、あらかじめ与えられている定数を基
に演算処理が施され、演算結果に基づいて水量を調節す
ることにより素子温度をあらかじめ設定された温度にコ
ントロールすることができる。

【００３３】図８に演算部で用いるモジュールのモデル
を示す。あらかじめ与えられているパラメータとして
は、サイリスタの半導体基板から、アノード加圧電極表
面までの熱抵抗（ＲｔｈＡ），同様にカソード加圧電極
表面までの熱抵抗（ＲｔｈＫ),冷却フィン表面から冷却
水までの熱抵抗（ＲＴｈｆ），半導体素子と冷却フィン
の接触熱抵抗（Ｒｔｈｃ）である。これを、実測に基づ
き各半導体素子の損失が求められる。これら、値を基
に、各半導体素子の温度（Ｔｊ１〜Ｔｊ６）が所定の値
となるような、循環水の熱抵抗（ＲｔｈＷ１からＲｔｈ
Ｗ７）が算出される。さらに、これらの値となるような
循環水の水量が算出される。これによって負荷の変動に
より損失が変動しても高速に、素子温度をコントロール
することができる。

【００３４】（実施例２）図５に本発明の第二の実施例
を示す。

【００３５】本モジュールも実施例１と同様に６ケの平
型サイリスタ（１０１１，１０１２，１０１３，１０１
４，１０１５，１０１６）よりなる。また、冷却油を循
環させる５ケの冷却フィン（５０１１，５０１２，５０
１３，５０１４，５０１５）がある。さらに、最端部に
空気との接触面を広くとった空冷冷却フィン(5021，５
０２２）を備える。これらの、サイリスタ及び冷却フィ
ンは加圧器(１０３０)により加圧圧接されている。

【００３６】風冷冷却フィンに比べ、水冷あるいは油冷
フィンの方が熱交換効率が優れているために最端部の冷
却フィンよりも内部の冷却フィンの方が放熱効率が向上
し実施例１と同様に素子温度の均一化を図ることができ
るようになる。また、フィンの数も従来技術による方法
に比べ一つのモジュールあたり２個低減するためにトー
タルの循環冷却媒体の流量は同じでも、一つのフィンあ
たりの流量が増すために素子温度の低減を図ることがで
きる。

【００３７】（実施例３）図６に本発明の第三の実施例
を示す。

【００３８】本モジュールも実施例１と同様に６ケの平
型サイリスタと冷却水を循環させる７つの冷却フィンが
加圧器により加圧圧接されている。図１と異なるのは両
最端部のサイリスタと冷却フィンとの間には熱抵抗補償
導体（８０１，８０２）が挟まれていることである。熱
抵抗補償導体はモリブデン，タングステン，銅等の金属
が用いられている。また、必要に応じメッキ処理が施さ
れる。本実施例では、直径１５５mmの無酸素銅が用いら
れている。また、表面には数ミクロンのニッケルメッキ
が施されている。また、冷却フィンあるいはサイリスタ
との接触面で設計値と大きく異なる熱抵抗を生じること
を防止するために、表面ラップ処理が施され接触面の平
坦度は１０ミクロン以内、平行度１０ミクロン以内、ま
た面荒さは０.５ ミクロン以内とする。熱抵抗補償導体
は８０１と８０２では必要に応じ異なる厚さとすること
も可能である。

【００３９】すべての冷却フィンには同じ水温，水量の
純水が循環されている。熱抵抗補償導体が、最端部の素
子から、冷却フィンへと流れる熱量を制限するために、
すべてのサイリスタは同じ素子温度となる。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、複数個加圧圧接される
平型半導体素子の素子温度を均一化し、特性のバラツキ
を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例であるサイリスタモジュ
ールと各冷却フィンに流れる冷却媒体の流量。

【図２】従来技術によるサイリスタモジュールと各サイ
リスタの温度とターンオフ後に印加される逆方向電圧。

【図３】第一の実施例のサイリスタモジュール中の各サ
イリスタの素子温度と逆方向電圧とサイリスタがターン
オフするときの電流及び電圧。

【図４】従来技術によるサイリスタモジュールにおいて
誤動作が生じた際の電流，電圧波形。

【図５】本発明の第二の実施例であるサイリスタモジュ
ール。

【図６】本発明の第三の実施例であるサイリスタモジュ
ール。

【図７】冷却フィンの水量演算部の模式図。

【図８】図７に示す演算部で用いるモデル。

【符号の説明】

１０１１〜１０１６，３０１１〜３０１６…平型サイリ
スタ、１０２１〜1027，３０２１〜３０２７…冷却フィ
ン、１０４１〜１０４７…絶縁パイプ、1051,１０５２
…流量調節用バルブ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】三つ以上の平型半導体素子が冷却フィンに
   より両面より冷却され、冷却フィンの数は平型半導体素
   子の数よりも一つ多く、冷却フィンと平型半導体素子は
   冷却フィンを最端部として交互に並べられ、冷却フィン
   には冷却媒体が並列に導入され、冷却フィンの外部より
   加圧接触せしめられている半導体装置において、両最端
   部の冷却フィンの冷却効率に比べそれ以外の冷却フィン
   の冷却効率が高いことを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の半導体整流装置であって、
   両最端部の冷却フィンは風冷でありそれ以外の冷却フィ
   ンは水または油が循環され冷却することを特徴とする半
   導体装置。
3. 【請求項３】請求項１記載の半導体整流装置であって、
   該冷却フィンはいずれも冷却媒体を循環させて冷却し、
   両最端部冷却フィンにおける冷却媒体の流量はそれ以外
   の冷却フィンにおける冷却媒体の流量よりも少ないこと
   を特徴とする半導体装置。
4. 【請求項４】請求項３記載の半導体整流装置であって、
   該最端部の冷却フィンの循環経路のコンダクタンスをそ
   れ以外の冷却フィンのコンダクタンスよりも低いことを
   特徴とする半導体装置。
5. 【請求項５】請求項１記載の半導体装置であって、最端
   部の冷却フィンの熱抵抗は他の冷却フィンの熱抵抗より
   も大きいことを特徴とする半導体装置。