JPH10214930A - 平形半導体素子の同軸積層冷却構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】平形半導体素子の積層液冷ブロック冷却方式は
配線インダクタンスが大きく、大形であったものを改良
することにある。 【解決手段】液冷ブロックの内部に冷媒の通路を設け、
冷媒の導入側には導入管、排出側には排出管を互いに回
転対象位置となるように配設し、導入管の導入口と排出
管の排出口が互いに同一回転方向に開口するようになし
た平形半導体素子用液冷ブロックフィンを使用し、平形
半導体素子との積層体を構成して該積層体全体の一主電
極に接続する筒状の導体を該積層体の中心軸に同心状に
配置する筒状の導体を前述の中心軸対称に分割して接続
した平形半導体素子の同軸積層冷却構造。筒状の導体は
前述の中心軸対称に分割する構造、同筒状の導体の接続
部を除く部分の表面を絶縁体で覆った構造、同筒状の導
体には平形半導体素子の各端子に対応した位置に貫通穴
を設けたものなどで構成したもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、平形半導体素子の
冷却構造に係わり、特に通電パスに存在する配線インダ
クタンスを低減する平形半導体素子の同軸積層冷却構造
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、高圧用の多直列接続を目的とし
た平形半導体素子の圧接と冷却は、複数の平形半導体素
子と交互に積層されるブロックとの積層体全体に圧接力
を加え、例えば液冷されるブロックからの放熱で冷却を
行う方式が採用される。この場合、平形半導体素子群の
積層体全体の主電極は積層体の両端部に位置する構造で
ある。

【０００３】この平形半導体素子群の積層体の電気的な
絶縁は一体的に積層される半導体素子群や主電極などと
半導体素子に所定の圧接力を加えるための加圧機構との
電気的絶縁およびブロックに導入する冷媒との電気的な
絶縁スペースが必要となる。更に、半導体素子の周辺に
は半導体素子の駆動回路や保護を目的としたスナバ回路
部品などの半導体素子に近接して配置する必要性のある
周辺部品類があり、高圧回路に適用するための電気絶縁
スペースは増加する。

【０００４】以下、この従来技術による液冷ブロックの
一例について、図６および図７により説明する。この図
６に示す液冷ブロック２１１は、銅製の液冷ブロックに
２つの伝熱孔ｈを設け、銅管で形成したＵ字状の伝熱管
１７１を伝熱孔ｈに挿入してある。また、貫通孔ａは複
数の液冷ブロック２１１と平形半導体素子を所定の圧接
力で圧接して使用する場合の圧接クランプの挿入孔とな
る。

【０００５】この従来構造の液冷ブロックで平形半導体
素子を冷却する場合、例えば図７のように組み立てて使
用される。すなわち、図７において、３つの平形半導体
素子１は４つの液冷ブロック２１１の間に挟まれ１つの
積層体として、積層体全体を圧接クランプ１１１で一体
に圧接している。この一体に積層された平形半導体素子
１を冷却する方法は、冷媒を同図外に設けられた冷媒導
入装置より冷媒輸送管１２１を締め付け具１４１で締め
付け配管し、最上部の液冷ブロック２１１の伝熱管１７
１の導入口１７１ａより導入し、排出口１７１ｂより排
出する。この排出口１７１ｂからの冷媒を下部に設けた
次段の液冷ブロック２１１の導入口１７１ａに導く絶縁
材料よりなる連絡管１３１に、締め付け具１４１を用い
て連結し、以下同様な配管により、平形半導体素子１間
に印加される電圧に耐える電気的絶縁を確保しながら、
最上段の液冷ブロック２１１の排出口１７１ｂを経て冷
媒排出側の冷媒輸送管１２１から図７外の冷媒導入装置
に戻る閉ループ配管系統を形成することによりなされ
る。なお、冷媒が水等の安価で安全なものである場合、
前述の閉ループ配管系を開管として冷媒の使い捨てとす
ることも行われる。

【０００６】以上の機構から明確なように、一体化した
積層体の液冷ブロック２１１は１つの配管系を構成して
いるところから、平形半導体素子に対する放熱特性、熱
抵抗を一定値とした場合、冷媒経路となる各配管の冷媒
流量と圧力損失の機械的な特性と、各平形半導体素子１
間に印加される電気的特性とが本構造の大きさを決める
大きな要素となっている。一方、高圧回路用の素子群を
形成するために、一体に積層した平形半導体素子と液冷
ブロックを一群の多直列積層体とすれば、一平形半導体
素子の耐圧に対して直列数倍だけ一群全体の素子耐圧を
上げて使用することができる。そこで、図７を一つの平
形半導体素子の多直列積層体として使用すると、同図の
最上部と最下部の銅製の液冷ブロック２１１をスイッチ
全体の二つの各主電極として作用させ使用する。この
時、両主電極から適用装置の回路構成のための結線は、
前述の加圧圧接機構、液冷ブロック、各配管系など素子
周辺の構造体を避け、かつ、電気的絶縁を確保するため
のスペースをとることになる。この他、特に図示してい
ないが、一般的に、各平形半導体素子に近接して並列接
続するゲート回路やバランサ抵抗およびスナバ回路を設
けて使用するため、必然的に配線長は長く、また広がる
ことになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従って、以上説明した
ようにこの従来技術による積層体構造では、両端の主電
極と外部回路（ゲート回路やバランサ抵抗およびスナバ
回路を含む）との接続を行う場合、前述の圧接機構や冷
媒経路を形成する各配管および周辺部品の配置を避けて
電気的絶縁距離を確保した上、平形半導体素子の積層体
と外部回路との接続を行う必要があるため、外部回路と
の接続ループは広がる。その結果、平形半導体素子と液
冷ブロックの積層体を適用装置の回路内に組込む際の配
線ルートが長くなり、配線インダクタンスが大きくな
る。ことにパルス電源応用などのように外部回路に含ま
れる静電容量との共振回路の振動周期を極く狭く、か
つ、ピーク値の大きい電流パルスを生成する必要のある
用途に適用することは難しかった。そこで、従来のパル
ス電源用途では、半導体素子によるスイッチング回路の
後段に、磁気圧縮回路と称す補助回路を２〜３段設置し
て、パルス幅を狭く圧縮する技術により目的を達してい
た。

【０００８】一般の電力変換装置等の場合も同様であ
り、前述の平形半導体素子群で形成した積層体を複数使
用し、電力変換装置を形成することになるため、実装ス
ペースや高圧絶縁のための距離が増加し、装置の大形化
を伴ったり、無用な配線インダクタンスの増加で半導体
素子の耐圧を上げる必要があるなど問題を有していた。
本発明の目的はこの従来構造の欠点を改良し、コンパク
トで実用性の高い平形半導体素子と液冷ブロックとのス
タック構造を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のその目的を達成
する手段は、 （１）請求項１において、液冷ブロックの内部に冷媒の
通路を設け、冷媒の導入側には導入管、排出側には排出
管を互いに回転対象位置となるように配設し、導入管の
導入口と排出管の排出口が互いに同一回転方向に開口す
る液冷ブロックを用い、平形半導体素子と液冷ブロック
との積層体の中心軸に同心状に配置し、該積層体の一主
電極と接続する筒状の導体を設けたことにある。

【００１０】（２）請求項２において、平形半導体素子
と液冷ブロックの積層体との接続部と他方の主電極部を
除き、筒状の導体の内外周部に渡り表面全体を絶縁体で
覆ったことにある。

【００１１】（３）請求項３において、筒状の導体を中
心軸対称の複数の導体片に分割して、接続部分を除く部
分を絶縁体で覆い、該各導体片相互に所定の間隔を設け
たことにある。

【００１２】（４）請求項４において、筒状の導体の筒
部には積層した平形半導体素子の補助電極に対向した位
置に貫通穴を設け、平形半導体素子の同軸積層体の外部
に設けた半導体素子の周辺回路要素との接続用貫通穴を
具備したことにある。

【００１３】次に、その作用を説明する。冷媒の導入管
と排出管とが互いに回転対象位置にあり、互いに連絡管
との接続上の干渉が生じない液冷ブロックを用いて、平
形半導体素子と液冷ブロックの冷却配管系が回転対称的
でコンパクトにまとまるので、平形半導体素子と液冷ブ
ロックとの積層体の中心軸に同心状に配置し、該積層体
の一主電極と接続する筒状の導体を容易に設置できると
ともに、配線経路の往復導体化ができる。すなわち、平
形半導体素子と液冷ブロックとの積層体で形成する導通
経路の主電流の方向と筒状の導体に流れる主電流の方向
は互いに逆の関係となる。従って、平形半導体素子と液
冷ブロックによる積層体全体と筒状の導体との往復導体
化された相互間の配線形態によって生じる配線インダク
タンスは小さくできる。

【００１４】平形半導体素子と液冷ブロックの積層体と
の接続部と他方の主電極部を除き、筒状の導体の内外周
部に渡り表面全体を絶縁体で覆うことにより、平形半導
体素子や液冷ブロックの各部および配管系等の各導電部
との電気的な絶縁が容易となり、絶縁距離を最小限度に
することができ、小形な装置とすることができる。筒状
の導体を中心軸対称に複数の導体片に分割して、接続部
分を除く部分を絶縁体で覆い、該各導体片相互に所定の
間隔を設けたことにより、個々に絶縁した各導体片間の
間隙を利用して平形半導体素子のゲート回路やバランサ
抵抗およびスナバ回路の接続ができ、電気的絶縁距離を
増すことなく、また、配線インダクタンスを増加するこ
となく、近接して容易に外部回路との接続ができる。な
お、筒状の導体を中心軸対称に複数の導体片に分割する
ことにより、平形半導体素子と液冷ブロックフィンの積
層、圧接の組み立て作業後に該複数の導体片を実装する
ことができ、組み立てが容易である。以下、本発明の実
施例を図面に基ずき詳述する。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例を示す平
形半導体素子の同軸積層冷却構造を説明する一部断面側
面図、図２は本発明の図１を９０度回転した側面図、図
３は筒状導体の断面図、図４は分割した筒状の導体の斜
視図、図５は図４の筒状の導体を組み立て、電気的な絶
縁関係を説明する断面図である。図１および図２におい
て、図の中央部には平形半導体素子１、液冷ブロック２
には液冷ブロックへの冷媒導入を行う導入管４と冷媒排
出のための排出管５、平形半導体素子１と液冷ブロック
２等を一体に圧接する圧接クランプ１１、又本発明の筒
状の導体３が備えられている。ここで、６は絶縁座、７
は絶縁板、８は一方の主電極の絶縁部、９は一方の主電
極の導体部、１０は他方の主電極の導体部、１３は連絡
管、１４は締め付け具、１５は他方の主電極の絶縁部で
ある。

【００１６】すなわち、複数の平形半導体素子１と複数
の液冷ブロック２との積層体を構成し、冷媒の導入によ
り各液冷ブロック２の冷却をカスケードに行う平形半導
体素子１の間接的な冷却構造において、液冷ブロック２
の内部に冷媒の通路を設け、この液冷ブロック２は冷媒
の導入側には導入管４、排出側には排出管５を概ね互い
に回転対象となるように配設し、導入管４の導入口と排
出管５の排出口が互いに同一回転方向に開口する液冷ブ
ロック２を構成し、平形半導体素子１と液冷ブロック２
との一対を複数組みに積層した積層体を形成し、これら
積層体の外周に筒状の導体３で覆うと共に、この導体３
と積層体の他方の主電極（絶縁部１５，導体部１０）と
接続するよう構成したものである。

【００１７】筒状の導体３は、図３に示すように、表面
を絶縁被覆した筒状導体の絶縁部３Ａ、筒状の導体部３
Ｂ、上部筒状導体３Ｃ、筒状導体の貫通穴Ｈ、筒状の導
体３にロー付けした他方の主電極の導体部１０から構成
されたものである。なお、筒状導体の貫通穴Ｈは平形半
導体素子１の補助電極等に対応した位置に設けられてお
り、ゲート回路、スナバ回路等の接続用および冷媒輸送
管１２の取り出し口としている。また、図１に示す最上
部の液冷ブロック２には、一方の主電極の絶縁部８を表
面被覆した一方の主電極の導体部９をロー付けしてい
る。

【００１８】以上のように構成された装置において、中
心部に配置する平形半導体素子１の上部をアノード、下
部をカソードとする方向の多直列体を構成し、最下部の
液冷ブロック２の底部と底部筒状導体３Ｄを互いの面で
圧接接触させた構造として、最上部の平形半導体素子１
から最下部の平形半導体素子１に至る電流の流れに対
し、筒状の導体３を流れる電流は前述の平形半導体素子
１の電流の方向と逆の方向となる。従って、平形半導体
素子１に流れる電流と筒状の導体３に流れる電流は互い
にその発生する磁束を打ち消し合うことにより、装置全
体のインダクタンスを最小とすることができる。

【００１９】次に、本発明の筒状の導体の他の実施例を
図４及び図５に基づいて説明する。図４はその斜視図
で、図３に示す筒状の導体３を分割して形成した構造の
導体３１であり、底部筒状導体３１Ａ、上部筒状導体３
１Ｂ、複数の分割筒状導体３１Ｃの絶縁部３１Ｄとを組
み立てて構成している。各分割筒状導体３１Ｃの絶縁部
３１Ｄは底部筒状導体３１Ａと上部筒状導体３１Ｂにそ
れぞれネジ止めで組み立てているが、ロー付け等の手段
によっても同様に構成できる。このようにして得られた
筒状の導体３１を、図１の筒状の導体３に置き換えれ
ば、若干の磁束の漏れは生ずるが、図１と全く同様に作
用するとともに、分割筒状導体相互の間隙は平形半導体
素子１へのゲート回路やスナバ回路等の補助回路の接
続、冷媒輸送管１２の引き出し口として利用できる。

【００２０】また図５は図２に示す他方の主電極の導体
部１０と一方の主電極の導体部９等との絶縁を目的とす
る絶縁キャップ１６を設けた断面図であると共に、図４
の導体３１である場合も兼ねた断面図であり、高電圧に
対して絶縁保護を行っている。なお、下部の分割筒状導
体３Ｅも絶縁キャップ１６と同様な絶縁保護ができる
が、同図では省略した例を示す。以上説明したように、
本発明は平形半導体素子１と液冷ブロック２の積層体構
造と筒状の導体３，３１を巧みに組み合わせたことによ
り得られる低インダクタンスの平形半導体素子の同軸積
層冷却構造を提供するものである。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、平
形半導体素子と液冷ブロックの積層体構造と筒状の導体
を巧みに組み合わせたことにより、高圧回路向きで配線
インダクタンスが極く小さく、放熱効率、実装密度が高
く、全体として小形な平形半導体素子の積層冷却構造と
することができる。また、筒状の導体は平形半導体素子
や液冷ブロックの積層圧接後に装着、組み立てができ、
その構造から平形半導体素子の周辺に設置するゲート回
路、スナバ回路部品類との接続も容易な平形半導体素子
の積層冷却構造を得ることが出来、実用上、極めて有用
性の高いものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す一部断面側面図であ
る。

【図２】本発明の図１の一実施例を９０度回転した側面
図である。

【図３】本発明の筒状の導体を示す断面図である。

【図４】本発明の他の実施例を示す斜視図である。

【図５】本発明の分割した筒状の導体を組み立てた斜視
図である。

【図６】従来の液冷ブロックフィンの斜視図である。

【図７】従来の１例を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 平形半導体素子 ２，２１１ 液冷ブロック ３，３１ 導体 ４ 導入管 ５ 排出管 ６ 絶縁座 ７ 絶縁板 ８，１５ 主電極の絶縁部 ９，１０ 主電極の導体部 １１，１１１ 圧接クランプ １２ 冷媒輸送管 １３，１３１ 連絡管 １４，１４１ 締め付け具 １６ 絶縁キャップ １７１ 伝熱管

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の平形半導体素子と複数の液冷ブロ
   ックとの積層体を構成し、冷媒の導入により各液冷ブロ
   ックの冷却をカスケードに行う平形半導体素子の間接的
   な冷却構造において、液冷ブロックの内部に冷媒の通路
   を設け、この液冷ブロックは冷媒の導入側には導入管、
   排出側には排出管を概ね互いに回転対象となるように配
   設し、導入管の導入口と排出管の排出口が互いに同一回
   転方向に開口する液冷ブロックを構成し、前記平形半導
   体素子と液冷ブロックとの一対を複数組みに積層した積
   層体を形成し、これら積層体の外周に筒状の導体で覆う
   と共に、この導体と積層体の一主電極と接続する構成と
   したことを特徴とする平形半導体素子の同軸積層構造。
2. 【請求項２】 平形半導体素子と液冷ブロックの積層体
   との接続部と他方の主電極部を除き、筒状の導体の内外
   周部に渡り、表面全体を絶縁体で覆った構造としたこと
   を特徴とする請求項１記載の平形半導体素子の同軸積層
   冷却構造。
3. 【請求項３】 筒状の導体を中心軸対称に複数の導体片
   に分割して、接続部分を除く部分を絶縁体で覆い、前記
   各導体片相互に所定の間隔を設けたことを特徴とする請
   求項１の平形半導体素子の同軸積層冷却構造。
4. 【請求項４】 筒状の導体の筒部には、積層した平形半
   導体素子の補助電極に対向した位置とに貫通穴を設け、
   平形半導体素子の同軸積層体の外部に設けた半導体素子
   の周辺回路要素との接続用貫通穴を具備したことを特徴
   とする請求項１又は２又は３項記載の平形半導体素子の
   同軸積層冷却構造。