(57)【要約】【課題】従来のスタック組立構造を見直して、部品の共用，削減化およびスタックの小形コンパクト化が図れるように組立構造を改良する。【解決手段】Ｕ，Ｖ，Ｗの各相アームに対応する複数の平形パワー半導体素子１と、水冷式冷却体２とを交互に積み重ねて一体に組立てた電力用半導体スタックで、各冷却体からＵ，Ｖ，ＷおよびＰ，Ｎに対応する主回路端子，接続導体８，９を上下に引き出して３相ブリッジ回路を構成するものにおいて、スタックの中央に並ぶＶ相アームの半導体素子と、該相アームを挟んでその両側に並ぶＵ，Ｗ相アームの半導体素子の極性を互いに逆向きに設定した上で、隣接する相アームの間に積み重ねた冷却体を介して双方の相アームに共通なＰ，Ｎ極に対応する主回路端子１２および接続導体８，９を引き出し、さらに、冷却体２の外周面には端子座２ｃを形成して主回路端子板１２をボルト締結するようにし、この冷却体を共通部品としてその向きを反転することで交流，直流側の各端子をスタックから上下に引き出せるようにする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｕ，Ｖ，Ｗの各相アームに対応する複数の平形パワー半導体素子と、導電金属製の水冷式冷却体とを交互に積み重ねて一体に組立てた電力用半導体スタックであり、前記冷却体から交流側のＵ，Ｖ，Ｗ相および直流側のＰ，Ｎ極に対応する主回路端子を引き出して３相ブリッジ回路を構成するものにおいて、
スタックの中央に並ぶ相アームの半導体素子と、該相アームを挟んでその両側に並ぶ別な相アームの半導体素子の極性を互いに逆向きに設定した上で、隣接する相アームの間に積み重ねた冷却体を介して双方の相アームに共通なＰ，Ｎ極に対応する主回路端子を引き出したことを特徴とする電力用半導体スタック。
【請求項２】
請求項１記載の半導体スタックにおいて、冷却体がその内部にＵ字状の冷却水通路を形成し、かつ冷却体の外周面に主回路端子板をボルト締結する端子座を形成したことを特徴とする電力用半導体スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置などに適用する電力用半導体スタックの組立構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
頭記の半導体スタックとして、加圧接触型の平形パワー半導体素子と水冷式冷却体とを交互に積み重ねて一体に組立てた構成が周知である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
次にパワー半導体スタックの従来例として、３相の各相アームに対応する複数の平形パワー半導体素子と金属製の水冷式冷却体とを交互に積み重ねて一体に組み立て、さらに前記冷却体から交流側のＵ，Ｖ，Ｗ相および直流側のＰ，Ｎ極に対応する主回路端子を引き出して図３に示す３相ブリッジ整流回路を構成する半導体スタックの組立構造を図４，図５に示す。
【０００４】
各図において、１は加圧接触型の平形パワー半導体素子（ダイオード）、２はパワー半導体素子１を挟んでその両側に積み重ねた水冷式冷却体、３は金属スペーサ、４は絶縁板、５はスタックの端板（押え板）、５ａは締め付けボルト、６は皿バネ、７は調芯用の鋼球であり、これら部品の組立体で半導体スタックを構成している。
【０００５】
ここで、前記の冷却体２は円盤状でその外周面の一部にタブ状の接続端子２ａを一体形成しておき、ここに交流側のＵ，Ｖ，Ｗ各相に対応する接続導体（フレキシブル導体）８、および直流側のＰ（＋）極，Ｎ（−）極に対応する接続導体９を接続した上で、接続導体９はそれぞれＰ，Ｎの母線（ブスバー）に接続して３相ブリッジ回路を構成している。また、図５（ａ），（ｂ）で示すように、冷却体２の内部にはＵ字状の冷却水通路２ｂが形成されており、この冷却水通路２ｂの開口端に導水ホース（絶縁ホース）１１を接続して外部から冷却媒体として非導電性の純水を流し、通電に伴うパワー半導体素子１の発熱を系外に除熱するようにしており、この導水ホース１１は図４の矢印で示すように半導体スタックに介挿した各冷却体２の間を直列に連ねて配管し、図示されてない放熱器を経由して循環送水するようにしている。
【特許文献１】特開平５−６９５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、図４，図５に示した組立構造で３相ブリッジ整流回路（図３参照）を構成した従来例の半導体スタックでは、次記のような問題点がある。
【０００７】
すなわち、前記のスタック組立構造では、３相ブリッジ回路のＵ，Ｖ，Ｗ各相のアームに対応するパワー半導体素子１はその極性を全て同じ向きに並べてその両側に積み重ねた冷却体２とスタッキングし、かつ隣接する相アームの間（Ｕ相とＶ相，およびＶ相とＷ相の間）にそれぞれ絶縁板４を介挿して相間絶縁を確保するようにしている。また、パワー半導体素子１を挟んでその両側に積み重ねた冷却体２は、その内部に形成した冷却水通路２ｂを全て同じ方向に揃えているのに対し、冷却体２の外周面に形成した端子２ａについては、交流側の端子２ａをスタックの上方側に引き出し、直流側の端子はスタックの下側に引き出した上で、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相アームごとに、そのＰ，Ｎ極に対応する接続導体９を各相アームの両端から下方に引き出している。
【０００８】
このために、交流側の端子を形成した冷却体と直流側の端子を形成した冷却体とは端子２ａの引き出し位置が異なることから、冷却体２を製作するには、端子２ａの引き出し位置に合わせて個別に設計，製作する必要がある。また、各相アームの間およびスタック両端の４箇所に分散して絶縁板４を介挿しており、これにより半導体スタックに組み込む冷却体２の個数はスタック全体で合計９個となり、また直流側の接続導体９は各相アームごとに２本ずつ合計６本を必要とする。
【０００９】
一方、電力用半導体スタックの小形コンパクト化およびコスト低減化を推進するには、いかにして使用する部品の点数削減，および部品の共用，共通化を図るかが重要なポイントになる。
【００１０】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は従来の組立構造を見直してスタック全体の小形コンパクト化，および部品の共用，削減化が図れるように改良した電力用半導体スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明によれば、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相アームに対応する複数の平形パワー半導体素子と、導電金属製の水冷式冷却体とを交互に積み重ねて一体に組立てた電力用半導体スタックであり、前記冷却体から交流側のＵ，Ｖ，Ｗ相および直流側のＰ，Ｎ極に対応する主回路端子を引き出して３相ブリッジ回路を構成するものにおいて、
スタックの中央に並ぶ相アームの半導体素子と、該相アームを挟んでその両側に並ぶ別な相アームの半導体素子の極性を互いに逆向きに設定した上で、隣接する相アームの間に積み重ねた冷却体を介して双方の相アームに共通なＰ，Ｎ極に対応する主回路端子を引き出した構成とする（請求項１）。
【００１２】
また、前記の構成において、本発明によれば、冷却体の内部にＵ字状の冷却水通路を形成した上で、冷却体の外周面には主回路端子板をボルト締結する端子座を形成しておき、この冷却体を共通部品として交流側，直流側の端子をスタックから引き出す場合に、その端子引き出し方向に合わせて冷却体の向きを反転してスタッキングすることで、この端子座に結合した端子板を異なる方向に引き出せるようにする（請求項２）。
【発明の効果】
【００１３】
上記の構成によれば、図４，図５に示した従来のスタック組立構造と比べて、スタッキングする冷却体の個数および絶縁板の枚数，および直流側のＰ，Ｎ極に対応してスタックから引き出す接続導体の本数が削減でき、これによりスタック全体の小形コンパクト化が達成できる。さらに一種類の冷却体を共通部品として交流側，直流側の端子をスタックから異なる方向に引き出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図１（ａ）〜（ｃ），および図２に示す実施例に基づいて説明する。なお、実施例の図中で図３〜図５に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
【００１５】
図示実施例では、図２に示す半導体スタックの等価回路で表すように、３相ブリッジ回路を構成するＵ，Ｖ，Ｗの各相アーム１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗについて、スタックの中央に並ぶＶ相アーム１４Ｖに対応するパワー半導体素子１の極性が、スタックの両端側に並ぶＵ相アーム１４ＵおよびＷ相アーム１４Ｗに対応するパワー半導体素子１の極性と逆向きにしている。
【００１６】
そして、このように各相の半導体素子１の極性を設定した上で、図１（ａ）で示すように各半導体素子１の両側に冷却体２を積み重ね、さらに両右端に絶縁板４，端板５，皿バネ６，鋼球７を組み合わせて半導体スタックを組立てる。また、このスタック組立構造で、各冷却体２上面側，下面側に取り付けた交流側のＵ，Ｖ．Ｗ相，および直流側のＰ，Ｎ極に対応する主回路端子板１２にそれぞれ接続導体８，９を接続し、さらにスタックの下方側に引き出した直流側のＰ，Ｎ接続導体９を図２に示したＰ，Ｎ極の母線１０に分岐接続して３相ブリッジ回路を構成している。なお、絶縁板４はスタック組立体の両端にのみ積み重ね、相アームの相互間には絶縁板４（図４参照）が介挿されてない。
【００１７】
一方、水冷式冷却体２について、外形が円盤状になる冷却体の外周面には、図５で述べたＵ字状の冷水通路２ａに接近して独立部品の端子板１２をボルト締結するための端子座２ｃを形成しておき、この端子座２ｃに端子板１２をボルト１３で結合した上で、端子板１２ｃに外部接続導体８，９を接続してスタックから上下方向に引き出すようにしている。すなわち、交流側のＵ，Ｖ．Ｗ相に対応する接続導体８を接続する３個の冷却体２は、その端子座２ｃをスタックの上側に向けて端子板１２をボルト１３で締結固定し、この端子板に接続導体８を接続して上方に引き出している。これに対して、直流側のＰ，Ｎ極に対応する接続導体９を接続する合計４個の冷却体２は、冷水通路２ｂの向きは変えずに端子座２ｃが下を向くように冷却体２の向きを反転してスタッキングし、この端子板１２に接続した導体９をスタックから下方側に引き出すようにしている。
【００１８】
上記のスタック組立構造によれば、１種類の冷却体２を共通部品としてその向きを反転して組み込むことで、交流側および直流側の端子板１２を異なる方向に引き出すことができる。また、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の相アーム間にまたがって介挿した冷却体２を共用することで、冷却体２の使用個数，および冷却体２から引き出す接続導体８，９の本数は、図４の従来例（冷却体の個数および接続導体の本数は９）より２個，２本減らして７個，７本となる。さらに、絶縁板４はスタックの両端にのみ積み重ねるだけでよく、隣接する相アームの間は不要となるので、絶縁板４の枚数を従来の４箇所から２箇所に減らすことができる。この結果、前記した冷却体２，絶縁板４の減少分に相応してスタックの全長を従来構成（図４）よりも短縮して、半導体スタックを小形コンパクトに構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施例によるパワー半導体スタックの組立構造図で、（ａ）はスタック全体の側面図、（ｂ）は（ａ）図の矢視Ｘ−Ｘ端面図、（ｃ）は冷却体の側視断面図
【図２】図１の等価回路図
【図３】半導体素子で構成した３相ブリッジ整流回路の等価回路図
【図４】従来におけるパワー半導体スタック全体の組立構造の側面図
【図５】図４の補足説明図で、（ａ）は図４の矢視Ｘ−Ｘ端面図、（ｂ）は（ａ）における導水ホースとともに表した冷却体の側視断面図
【符号の説明】
【００２０】
１    平形パワー半導体素子
２    水冷冷却体
２ｂ  冷水通路
２ｃ  端子座
４    絶縁板
１２    端子板
１３    締結ボルト
１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗ  相アーム
【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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