(57)【要約】【課題】フレームの強度を向上させることなく、電力半導体素子の直列数を増大したスタックを有する電力装置を提供する。【解決手段】実施形態に係る電力装置は、電力用半導体素子およびヒートシンクの積層体と、前記積層体の積層方向に沿って延伸し、絶縁材料で形成された２つの第１フレームと、前記２つの第１フレーム間で、前記２つの第１フレームを互いに支持するように設けられた補助固定部材と、前記積層体が積層された方向に沿って付勢する付勢手段と、前記付勢手段の付勢を保持して前記積層体に圧力を印加する圧力保持手段と、を含むスタックを備える。【選択図】図１
2020150747.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用半導体素子およびヒートシンクの積層体と、
前記積層体の積層方向に沿って延伸し、絶縁材料で形成された２つの第１フレームと、
前記２つの第１フレーム間で、前記２つの第１フレームを互いに支持するように設けられた補助固定部材と、
前記積層体が積層された方向に沿って付勢する付勢手段と、
前記付勢手段の付勢を保持して前記積層体に圧力を印加する圧力保持手段と、
を含むスタックを
備えた電力装置。
【請求項２】
前記補助固定部材の個数は、少なくとも１つであり、
前記補助固定部材は、前記第１フレームの延伸方向の長さを前記補助固定部材の個数で均等割りした位置に設けられた請求項１記載の電力装置。
【請求項３】
前記スタックは、隣接して配置された前記電力用半導体素子の電極に両端で接続された接続電極をさらに含み、
前記補助固定部材は、前記接続電極を貫通させた貫通孔を含む請求項１または２に記載の電力装置。
【請求項４】
前記補助固定部材は、導電性を有し、前記接続電極に電気的に接続された請求項３記載の電力装置。
【請求項５】
前記補助固定部材は、前記貫通孔に連結され、前記接続電極を挿通できる切欠を含む請求項３または４に記載の電力装置。
【請求項６】
前記スタックは、前記補助固定部材の前記切欠を閉鎖し前記接続電極の挿通を維持する補助部材をさらに含む請求項５記載の電力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高電圧、大電流を取り扱う電力変換装置や直流遮断装置のような電力装置には、平型の電力用半導体素子を多数接続したスタックが用いられる。このようなスタックでは、電力半導体素子の直列数は必要な電圧によって決定される。スタックに用いられる電力用半導体素子は、冷却用のヒートシンクに挟み込むように積層される場合もあり、直列数が多くなると、電力用半導体素子およびヒートシンクを支持するフレームには、高い強度が求められる。
【０００３】
フレームの強度を高めるには、材料を厚くしたり、剛性の高い材料にしたりする必要があるが、いずれもコストの上昇を招く。スタックあたりの搭載個数を減らし、要求耐圧を実現するために、複数のスタックを組み合わせる場合もあるが、スタックの単価上昇や複数のスタックを組み合わせるために、組立工数が増大するとの問題も生じ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−５８７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
実施形態は、フレームの強度を向上させることなく、電力半導体素子の直列数を増大したスタックを有する電力装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態に係る電力装置は、電力用半導体素子およびヒートシンクの積層体と、前記積層体の積層方向に沿って延伸し、絶縁材料で形成された２つの第１フレームと、前記２つの第１フレーム間で、前記２つの第１フレームを互いに支持するように設けられた補助固定部材と、前記積層体が積層された方向に沿って付勢する付勢手段と、前記付勢手段の付勢を保持して前記積層体に圧力を印加する圧力保持手段と、を含むスタックを備える。
【発明の効果】
【０００７】
本実施形態では、フレームの強度を向上させることなく、電力半導体素子の直列数を増大したスタックを有する電力装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態の電力装置のスタックを例示する斜視図である。
【図２】図１のＡ部の拡大図である。
【図３】実施形態に係る電力装置を例示する模式的なブロック図である。
【図４】図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施形態の電力装置のスタックの変形例を例示する斜視図である。
【図５】図５（ａ）は、比較例のスタックを例示する斜視図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のスタックのフレームを例示する斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。
【００１０】
図１は、実施形態の電力装置のスタックを例示する斜視図である。
図１に示すように、実施形態の電力装置のスタック２０は、絶縁フレーム３０と、金属フレーム３２と、電力用半導体素子５０と、ヒートシンク６０と、支持部材４２，４４と、を備える。
【００１１】
絶縁フレーム３０は、電力用半導体素子５０およびヒートシンク６０の積層体を積層する方向に沿って設けられている。絶縁フレーム３０は、積層方向に沿う面を有し、積層方向に長手方向を有するほぼ長方形の板材である。絶縁フレーム３０は、絶縁性の材料、たとえばＦＲＰ（Fiber-Reinforced Plastics）等によって形成されている。
【００１２】
金属フレーム３２は、２つの絶縁フレーム３０の長手方向の両端部に設けられている。２つの金属フレーム３２は、２つの絶縁フレーム３０とともに、枠体を形成する。金属フレーム３２は、電力用半導体素子５０およびヒートシンク６０の積層体の積層方向に支持部材（圧力保持手段、付勢手段）４２，４４を用いて付勢するため、応力に応じた強度をとるためＳＵＳ等の金属材料によって形成されている。枠体の内部の空間には、絶縁フレーム３０の長手方向に沿って、電力用半導体素子５０およびヒートシンク６０の積層体が積層される。
【００１３】
補助固定部材３４は、絶縁フレーム３０の長手方向の途中に設けられている。補助固定部材３４は、好ましくは、絶縁フレーム３０の長手方向のほぼ中間に設けられる。補助固定部材３４は、絶縁フレーム３０の面にほぼ垂直になるような面を有する板状の部材である。補助固定部材３４は、２つの絶縁フレーム３０の間に設けられ、これら２つの絶縁フレーム３０を互いに支持している。補助固定部材３４は、たとえばこの例のようにボルト等の締結手段によって、絶縁フレーム３０に固定される。補助固定部材３４の固定方法はボルト等に限らず、接着剤等、適切な方法を用いることができる。
【００１４】
補助固定部材３４は、この例では、絶縁フレーム３０の長手方向のほぼ中間の位置に１つ設けられているが、絶縁フレーム３０の長手方向に沿って、複数個設けられてもよい。複数の絶縁フレーム３０が設けられる場合には、好ましくは、絶縁フレーム３０の長手方向の長さを、補助固定部材３４の数でほぼ均等に分割した位置に設けられる。
【００１５】
図２は、図１のＡ部の拡大図である。
図２に示すように、Ａ部は、補助固定部材３４の配置の様子を示している。補助固定部材３４の面のほぼ中央部には、円形の貫通孔が形成されている。この貫通孔には、接続電極３６が貫通して設けられている。接続電極３６は、隣接する電力用半導体素子５０の電極に両端が接続されており、これら２つの電力用半導体素子５０の電気的接続をとっている。この例では、接続電極３６は、電力用半導体素子５０を挟持しているヒートシンク６０を介して、電力用半導体素子５０との電気的な接続をとっている。
【００１６】
補助固定部材３４は、たとえば金属材料によって形成される。金属材料で形成された補助固定部材３４の場合には、接続電極３６と接触させて電気的な接続をとるようにすることができる。このような場合には、補助固定部材３４は、直列接続された電力用半導体素子５０の中間電位を取り出す電極として利用することができる。
【００１７】
補助固定部材３４は、中間電位の取り出しを必要としない場合には、十分な強度を有する絶縁部材であってもよい。ＦＲＰ等の軽量かつ剛性の高い絶縁性の材料を用いることによって、スタック２０の軽量化をはかることができる。
【００１８】
図３は、実施形態に係る電力装置を例示する模式的なブロック図である。
図３には、電力装置１０の一例として、交流と直流との間で電力変換する電力変換装置が示されている。
図３に示すように、電力装置１０は、交流回路１と直流回路３との間に接続される。交流回路１は、たとえば交流の送電線や発電機等の電源を含む電力系統、あるいは電動機等の交流負荷等を含むことができる。電力装置１０は、この例のように、変圧器２を介して交流の電力系統に連系するようにしてもよい。直流回路３は、たとえば太陽電池や蓄電池等の直流電源や直流送電線等を含む直流の電力系統等を含むことができる。
【００１９】
電力装置１０は、スタック２０を含む主回路を備える。たとえば、主回路は、サイリスタバルブであり、その場合にはスタック２０は、サイリスタスタックである。スタック２０は、入出力される交流電圧および直流電圧に応じて耐圧が設定され、必要なサイリスタが直列に接続される。
【００２０】
主回路は、サイリスタバルブに限らず、ＩＧＢＴ等の自己消弧形半導体素子を用いた自励式の変換回路であってもよい。その場合においても、スタック２０は、入出力される交流電圧および直流電圧に応じて耐圧が設定され、必要な個数の電力変換素子が直列に接続される。
【００２１】
電力装置１０は、上述のような電力変換装置に限らず、交流系統を遮断する交流遮断装置や直流系統を遮断する直流遮断装置等であってもよい。これらの電力用機器においても、用いられる系統の電圧に応じてスタック２０の耐圧が設定され、必要な個数の電力用半導体素子が直列に接続される。
【００２２】
図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施形態の電力装置のスタックの変形例を例示する斜視図である。
図４（ａ）に示すように、補助固定部材２３４ａは、絶縁フレーム３０間に設けられた高剛性の部材である。補助固定部材２３４ａは、上述した補助固定部材３４に代えて用いられる。補助固定部材２３４ａは、半円状の貫通孔と、この貫通孔に連結して設けられた切欠を有している。貫通孔および切欠には、接続電極３６が配設されている。補助固定部材３４の場合と同様に、補助固定部材２３４ａも金属等の導電性の材料で形成されてもよく、その場合には、接続電極３６と接触され、電気的に接続されることができる。
【００２３】
この変形例の補助固定部材２３４ａは、切欠を有するので、スタックを組み立てる場合や修理等をする場合に、作業を容易に行うことができる。
【００２４】
図４（ｂ）に示すように、２つの補助固定部材２３４ｂ，２３４ｃは、上述の補助固定部材３４を分断した部材である。２つの補助固定部材２３４ｂ，２３４ｃを合わせると、上述の補助固定部材３４のように、中央部に円形の貫通孔が形成される。
【００２５】
スタックを組み立てる際に、２つの補助固定部材２３４ｂ，２３４ｃのうち一方の補助固定部材２３４ｃは、絶縁フレーム３０および金属フレーム３２によって枠状に組付けられた２つの絶縁フレーム３０の間に半円形の貫通孔を枠状体の開口側（上方）に向けて固定される。
【００２６】
その後、電力用半導体素子５０およびヒートシンク６０の積層体は、必要数積層され、積層された積層体は、支持部材４２，４４によってフレームの枠状体の枠内に固定される。その後、残りの補助固定部材（補助部材）２３４ｂの半円状の貫通孔を接続電極３６上にかぶせるようにして絶縁フレーム３０間に固定する。
【００２７】
このような変形例によれば、スタックの組立工程を簡素化するとともに、接続電極３６の全周を貫通孔によって固定することができるので、強度を十分に高くすることができる。
【００２８】
図５（ａ）は、比較例のスタックを例示する斜視図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のスタックのフレームを例示する斜視図である。
図５（ａ）には、２つの絶縁フレーム１３０間に、補助固定部材を用いない場合のスタック１２０の例が示されている。図１の場合と同様に、絶縁フレーム１３０の延伸方向に、電力用半導体素子５０およびヒートシンク６０の積層体が複数組積層されている。積層体の積層数が増大し、すなわち電力用半導体素子５０の直列数が増加するとともに、絶縁フレーム１３０の延伸方向の長さが長くなる。
【００２９】
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、両端を金属フレーム３２で固定された絶縁フレーム１３０は、支持部材４２，４４によって、図の実線の矢印のように積層体の締め付けの応力をかけると、図の白ぬきの矢印のように応力を受けて、たわみを生じる。大きなたわみを生じるということは、大きな白ぬき矢印の応力を受けていることとなり、長時間にわたる強度の不足が懸念される。長期的な強度を確保するために、絶縁フレームの厚さを厚くしたり、絶縁フレームの材質をより高剛性なものを採用したり、といった対策が必要となることもある。このような対策は、いずれも高重量化、大型化、高コスト化につながるものである。
【００３０】
たわみを抑制するために、絶縁フレームの長さを抑えると、電力用半導体素子５０の直列数を少なくする必要がある。たとえば、必要な耐圧を得るために、２４個の電力用半導体素子５０を直列にする必要がある場合には、１２個ずつ、あるいは８個ずつの小スタックに分割する必要がある。しかしながら、このような小スタックに分割すると、スタック同士の接続のための構造を別に用意する必要があり、また、スタック組立終了後に、スタック同士の接続を行う工程が追加されるので、コストの上昇を抑制することが困難な場合がある。
【００３１】
これに対して、実施形態の電力変換装置のスタック２０では、絶縁フレーム３０の延伸方向の途中に補助固定部材３４，２３４ａ，２３４ｂ，２３４ｃを備えている。補助固定部材３４，２３４ａ，２３４ｂ，２３４ｃの挿入位置を絶縁フレーム３０の延伸方向のほぼ中央とすることによって、延伸方向の応力によって生じる絶縁フレーム３０中央部のたわみを支持し、応力を吸収することができる。
【００３２】
単一のスタック２０で所望の耐圧を実現することができる場合には、単一のスタック２０を回路に組み込むようにすればよいので、追加の接続工数等が発生することがない。
【００３３】
以上説明した実施形態によれば、容易に電力用半導体素子を交換することができる電力変換装置を実現することができる。
【００３４】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１  交流回路、２  変圧器、３  直流回路、１０  電力装置、２０  スタック、３０  絶縁フレーム、３２  金属フレーム、３４，２３４ａ，２３４ｂ，２３４ｃ  補助固定部材、３６  接続電極、４２，４４  支持部材、５０  電力用半導体素子、６０  ヒートシンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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