(57)【要約】【課題】装置の全長寸法を増加させることなく絶縁性能を高めた大電力スタックの提供を目的とする。【解決手段】本発明の大電力スタックは、複数個の平型半導体素子１０と金属製冷却フィン８とを交互に積層した積層体と、積層体の両端に設けられこれを圧接する金属製プレート７と、金属製プレート７間に渡され圧接圧力を保持する金属製ボルト４と、金属製ボルト４を被覆する円筒状の絶縁パイプ１と、金属製冷却フィン８に配設され、金属製冷却フィン８・絶縁パイプ１間の位置決めを行う絶縁物で構成された位置決め板５とを備える。絶縁パイプ１は、金属製プレート７に隣接配置される、第１外径を有するベローズ形状の第１部分と、第１部分から金属製プレート７と反対の中央方向に延在する、第１外径よりも小さい第２外径を有する円筒状の第２部分とを有し、絶縁パイプ１の第２部分は位置決め板５の穴５ａ、５ｂを貫通する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の平型半導体素子と金属製冷却フィンとを交互に積層した積層体と、
前記積層体の両端に設けられこれを圧接する金属製プレートと、
前記金属製プレート間に渡され前記圧接圧力を保持する金属製ボルトと、
前記金属製ボルトを被覆する円筒状の絶縁パイプと、
前記金属製冷却フィンに配設され、前記金属製冷却フィン・前記絶縁パイプ間の位置決めを行う絶縁物で構成された位置決め板とを備える大電力スタックであって、
前記絶縁パイプは、前記金属製プレートに隣接配置される、第１外径を有するベローズ形状の第１部分と、前記第１部分から前記金属製プレートと反対の中央方向に延在する、前記第１外径よりも小さい第２外径を有する円筒状の第２部分とを有し、
前記位置決め板は前記第１外径よりも小さく前記第２外径よりも大きい穴を有し、
前記絶縁パイプの前記第２部分は前記位置決め板の前記穴を貫通することを特徴とする、大電力スタック。
【請求項２】
前記絶縁パイプは、内径が異なる複数の円筒状パイプから構成されることを特徴とする、請求項１に記載の大電力スタック。
【請求項３】
前記絶縁パイプはフッ素樹脂からなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の大電力スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、平型半導体素子を圧接する構造を有する大電力スタックにおける絶縁技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の大電力スタックは、例えばゲートドライバを装着したＧＣＴサイリスタを４個直列に接続した構成である。ＧＣＴサイリスタのアノード電極及びカソード電極の電接面は冷却フィンの電接面と互いに面接し、皿ばね等の加圧機構、プレート、ボルト及びナットにより加圧・圧接する構造となっている。
【０００３】
なお、スタックの組立てはプレートを平らな面に置き、その上に加圧機構と絶縁板を置く。次いで冷却フィンとＧＣＴサイリスタを順番に積み重ね、その上に絶縁板と加圧機構とプレートを置き積層体を挟み込む。両プレート間に渡された金属製のボルトは絶縁パイプで覆われ、冷却フィンが絶縁パイプと接触したりプレートから外にはみ出したりしないよう、冷却フィンにネジで固定された位置決め板が冷却フィンと絶縁パイプ間の位置決めを行う。
【０００４】
従来、両プレート間に渡される支柱となる部材の絶縁性を確保するものとして、上述した絶縁パイプの他、例えば特許文献１の平型半導体素子用スタックでは、円柱状の絶縁ロッドが加圧支持板間に渡されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１６８７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
金属製のボルトで圧接する場合、ＧＣＴサイリスタや冷却フィンの充電部は、プレートやボルトと電気的に絶縁する必要があり、従来は円筒形状の絶縁パイプを用いて絶縁を図っていた。しかし、例えば絶縁階級が６Ａ以上の高レベルの絶縁階級が要求される場合に、絶縁パイプの沿面距離を長く確保する必要がある。そのため、沿面距離を確保するためにスタックの全長寸法を長くする必要があった。スタックの全長寸法が長くなれば制御装置への取り付けスペースも大きくなり、制御装置全体の小型化を阻害する要因となる。これは絶縁ロッドを用いる場合も同様である。
【０００７】
そこで、本発明は上述の問題点に鑑み、全長寸法を長くすることなく高い絶縁性能を実現する大電力スタックの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の大電力スタックは、複数個の平型半導体素子と金属製冷却フィンとを交互に積層した積層体と、積層体の両端に設けられこれを圧接する金属製プレートと、金属製プレート間に渡され当該圧接圧力を保持する金属製ボルトと、金属製ボルトを被覆する円筒状の絶縁パイプと、金属製冷却フィンに配設され、金属製冷却フィン・絶縁パイプ間の位置決めを行う絶縁物で構成された位置決め板とを備える大電力スタックであって、絶縁パイプは、金属製プレートに隣接配置される、第１外径を有するベローズ形状の第１部分と、第１部分から金属製プレートと反対の中央方向に延在する、第１外径よりも小さい第２外径を有する円筒状の第２部分とを有し、位置決め板は第１外径よりも小さく第２外径よりも大きい穴を有し、絶縁パイプの第２部分は位置決め板の当該穴を貫通することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の大電力スタックにおいて、絶縁パイプは、金属製プレートに隣接配置される、第１外径を有するベローズ形状の第１部分と、第１部分から金属製プレートと反対の中央方向に延在する、第１外径よりも小さい第２外径を有する円筒状の第２部分とを有し、位置決め板は第１外径よりも小さく第２外径よりも大きい穴を有し、絶縁パイプの第２部分は位置決め板の当該穴を貫通することを特徴とする。金属製冷却フィンと金属製ボルト・金属製プレートとの間の絶縁パイプをベローズ形状にして沿面距離を長くすることにより、スタックの全長寸法を長くすることなく絶縁性能が高まる。また、絶縁パイプの第２部分だけが位置決め板の穴を貫通することにより、安定配置ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】大電力スタックの構成図である。
【図２】絶縁パイプ周辺の構成図である。
【図３】位置決め板の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（実施の形態１）
＜前提技術＞
本発明の前提技術となる大電力スタックの構成を図１に示す。本発明の前提技術となる大電力スタックは、ゲートドライバ９が装着されたＧＣＴサイリスタ１０と、ＧＣＴサイリスタ１０のアノード電極１１及びカソード電極１２の電接面に接触する金属製の冷却フィン８とを備える。ＧＣＴサイリスタ１０と冷却フィン８が交互に積層され、４つのＧＣＴサイリスタ１０が直列に接続される。
【００１２】
さらに大電力スタックは、ＧＣＴサイリスタ１０と冷却フィン８からなる積層体及び絶縁板１４を両端から圧接する、皿ばね等の加圧機構１３、プレート７、ボルト４、ナット６を備える。プレート７、ボルト４、ナット６は金属製である。積層体の両側に絶縁板１４、加圧機構１３、プレート７がこの順に設けられ、ボルト４は両側のプレート７を貫通する。ナット６でボルト４を締めることにより、プレート７が絶縁板１４及び加圧機構１３を介して積層体を圧接する。
【００１３】
また大電力スタックは、両プレート７間で金属製のボルト４を被覆する絶縁パイプ１を備える。絶縁パイプ１は、ボルト４やプレート７などの金属材料からＧＣＴサイリスタ１０や冷却フィン８の充電部を電気的に絶縁している。絶縁パイプ１は通常、図２（ａ）に示すように、ボルト４を被覆する円筒形絶縁パイプ１ａと、円筒形絶縁パイプ１ａよりも径が大きく円筒形絶縁パイプ１ａを被覆する円筒形絶縁パイプ１ｂとからなる多重構造とすることにより、絶縁性能が高められている。
【００１４】
さらに大電力スタックは、冷却フィン８と絶縁パイプ１間の位置決めを行う位置決め板５を備えている。位置決め板５は冷却フィン８にネジなどの固定具で固定されており、冷却フィン８から絶縁パイプ１の方向に突出している。位置決め板５は絶縁物であり、その両端には穴が設けられ、その穴を絶縁パイプ１が貫通することによって冷却フィン８と絶縁パイプ１との位置が固定される。これにより、冷却フィン８は絶縁パイプ１と接触することはなく、またプレート７から外にはみ出すことがない。
【００１５】
大電力スタックに高レベルの絶縁性能が要求される場合、プレート７から絶縁パイプ１に沿った冷却フィン８までの沿面距離を長くすることが必要で、その結果、大電力スタックの全長寸法が長くなってしまう。そこで、本実施の形態の大電力スタックでは、図２（ｂ）に示すように絶縁パイプ１の外表面をベローズ形状とすることにより、大電力スタックの全長寸法はそのままで、長い沿面距離を確保する。
【００１６】
＜構成＞
本実施の形態の大電力スタックの構成は、図１に示した前提技術に係る大電力スタックの構成において、ボルト４を被覆する絶縁パイプ１の外表面を、図２（ａ）に示す円筒形状ではなく図２（ｂ）に示すベローズ形状とすることにより、長い沿面距離を確保する。
【００１７】
具体的には、円筒形絶縁パイプ１ａ，１ｂの外側にさらにベローズ形状のベローズ形絶縁パイプ１ｃを被覆することによって、沿面距離を長くする。このように、絶縁パイプ１は内径の異なる複数の円筒形パイプから構成される。ベローズ形絶縁パイプ１ｃは冷却フィン８に接触せず、且つプレート７からはみ出さないことが望ましいため、その外径寸法を大きくすることには限界がある。例えばボルト４の直径を１６ｍｍとし、円筒形絶縁パイプ１ａの外径を直径２１ｍｍ、円筒形絶縁パイプ１ｂの外径を２４ｍｍとし、さらにベローズ形絶縁パイプ１ｃの外径寸法を約３３ｍｍ程度とする。すると、従来１０１ｍｍであったプレート７から冷却フィン８に設けられた位置決め板５までの沿面距離を、１４４ｍｍ程度にすることが可能である（図２）。
【００１８】
高レベルの絶縁階級が要求される場合、従来は沿面距離を長くする対策としてスタックの全長寸法を長くする必要があったが、ベローズ形状の絶縁パイプを採用することにより、スタックの全長寸法を長くすることなく高レベルの絶縁耐力を保障することが出来る。
【００１９】
ベローズ形絶縁パイプ１ｃは全体をベローズ形状とするのではない。プレート７に隣接する第１部分（ベローズ部）をベローズ形状とし、ベローズ部のプレート７とは反対の側の第２部分は、ベローズ部よりも外径の小さい円筒形状とする。
【００２０】
位置決め板５の形状を図３に示す。左右の両端に穴５ａ、５ｂが形成され、ネジ穴５ｃ、５ｄによって冷却フィン８にネジ止めされる。穴５ａ、５ｂはベローズ形絶縁パイプ１ｃのベローズ部の外径より小さく、円筒形状部分の外径より大きいものであり、ベローズ形絶縁パイプ１ｃの円筒形状部分だけが穴５ａ，５ｂを貫通する。
【００２１】
このような構成にすれば、ベローズ形絶縁パイプ１ｃのベローズ形状部分を、プレート７と位置決め板５との間に安定して配置することが出来る。また、位置決め板５とプレート７との間の絶縁パイプ被覆数が多くなることによって高い絶縁耐力が保障される。
【００２２】
このように、本実施の形態の大電力スタックは、複数個のＧＣＴサイリスタ１０（平型半導体素子）と金属製冷却フィン８とを交互に積層した積層体と、積層体の両端に設けられこれを圧接する金属製プレート７と、金属製プレート７間に渡され前記圧接圧力を保持する金属製ボルト４と、金属製ボルト４を被覆する円筒状の絶縁パイプ１と、金属製冷却フィン８に配設され、冷却フィン８・絶縁パイプ１間の位置決めを行う絶縁物で構成された位置決め板５とを備える。また、絶縁パイプ１は、プレート７に隣接配置される、第１外径を有するベローズ形状の第１部分（ベローズ部）と、ベローズ部からプレート７と反対の中央方向に延在する、第１外径よりも小さい第２外径を有する円筒状の第２部分とを有し、位置決め板５は第１外径よりも小さく第２外径よりも大きい穴５ａ，５ｂを有し、絶縁パイプ１の第２部分は位置決め板５の穴５ａ、５ｂを貫通する。位置決め板５によりベローズ形絶縁パイプ１ｃのベローズ形状部分がプレート７と位置決め板５との間に位置決めされ、絶縁パイプをベローズ形状とすることによって沿面距離が増大するため、スタックの寸法を大きくすることなく絶縁性能を高めることが出来る。また、絶縁パイプの第２部分だけが位置決め板の穴を貫通することにより、安定配置ができる。
【００２３】
なお、位置決め板５にはベークライトやエポキシ樹脂などの比較的硬い材質を用いることによって、冷却フィン８と絶縁パイプ１との間の安定した位置決めを行い、またベローズ形絶縁パイプ１ｃのベローズ部分をプレート７と位置決め板５の間に安定的に配置する事が出来る。また、絶縁パイプ１の夫々の材質は耐環境性に優れたＰＴＦＥ又はＦＥＰなどのフッ素樹脂とすることが望ましい。
【００２４】
また、本実施の形態では金属製のボルト４を円筒形絶縁パイプ１ａ，１ｂで２重に被覆し、その上から更にベローズ形絶縁パイプ１ｃを被覆することとしたが、円筒形絶縁パイプは１重でも良く、更に言えばベローズ形絶縁パイプ１ｃのみでボルト４を被覆する構成であっても良い。但し、このように絶縁パイプの数を少なくする場合は、絶縁パイプの厚みを増すことによって絶縁耐力を向上させることが望ましい。
【００２５】
＜効果＞
本実施の形態の大電力スタックによれば、既に述べたように以下の効果を奏する。すなわち、本実施の形態の大電力スタックは、複数個のＧＣＴサイリスタ１０（平型半導体素子）と金属製冷却フィン８とを交互に積層した積層体と、積層体の両端に設けられこれを圧接する金属製プレート７と、金属製プレート７間に渡され前記圧接圧力を保持する金属製ボルト４と、金属製ボルト４を被覆する円筒状の絶縁パイプ１と、金属製冷却フィン８に配設され、冷却フィン８・絶縁パイプ１間の位置決めを行う絶縁物で構成された位置決め板５とを備える。また、絶縁パイプ１は、プレート７に隣接配置される、第１外径を有するベローズ形状の第１部分（ベローズ部）と、ベローズ部からプレート７と反対の中央方向に延在する、第１外径よりも小さい第２外径を有する円筒状の第２部分とを有し、位置決め板５は第１外径よりも小さく第２外径よりも大きい穴５ａ，５ｂを有し、絶縁パイプ１の第２部分は位置決め板５の穴５ａ、５ｂを貫通する。位置決め板５によりベローズ形絶縁パイプ１ｃのベローズ形状部分がプレート７と位置決め板５との間に位置決めされ、絶縁パイプをベローズ形状とすることによって沿面距離が増大するため、スタックの寸法を大きくすることなく絶縁性能を高めることが出来る。また、絶縁パイプの第２部分だけが位置決め板の穴を貫通することにより、安定配置ができる。
【００２６】
また、絶縁パイプ１は、内径が異なる複数の円筒状パイプ１ａ，１ｂ，１ｃから構成される。これにより、絶縁性能を高めることが出来る。
【００２７】
さらに、絶縁パイプ１はＰＴＦＥ又はＦＥＰなどのフッ素樹脂からなる。これにより、絶縁パイプ１の耐環境性が高まる。
【符号の説明】
【００２８】
１  絶縁パイプ、１ａ，１ｂ  円筒形絶縁パイプ、１ｃ  ベローズ形絶縁パイプ、４  ボルト、５  位置決め板、５ａ，５ｂ  穴、５ｃ，５ｄ  ネジ穴、６  ナット、７  プレート、８  冷却フィン、９  ゲートドライバ、１０  ＧＣＴサイリスタ、１１  アノード電極、１２  カソード電極、１３  加圧機構、１４  絶縁板、１５  皿ばね、１６  ガイド、１７  センターボルト、１８  フランジ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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