(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相交流電圧の入力または出力に供される３個の端子よりなる第１の端子群、直流電圧の入力または出力に供される２個の端子よりなる第２の端子群、および前記第１の端子群の各端子と前記第２の端子群の各端子との間にそれぞれ接続された半導体素子を具備する半導体装置に対し、
前記第２の端子群の端子どうしを短絡させるとともに、前記第１の端子群に３相交流電圧を供給して前記半導体素子に順方向の電流を流すことを特徴とする半導体装置への通電方法。
【請求項２】
前記半導体素子はダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置への通電方法。
【請求項３】
前記半導体素子はスイッチング素子であり、該スイッチング素子は３相交流電圧の印加時に導通状態にされていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置への通電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置への通電方法および通電装置に関し、たとえば３相のインバータ装置や整流装置に付設された冷却機構の冷却能力試験や、その冷却機構を構成する冷媒の加熱脱気作業などに適用して有用な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、３相のインバータ装置や整流装置には、電流をオン・オフするためのスイッチ素子や整流素子などの半導体素子が設けられている。これらの半導体素子に電流が流れることによる損失や、スイッチングに伴う素子内部の損失により、熱が発生する。この発熱により装置温度が上昇するのを抑えるため、通常、インバータ装置や整流装置には冷却機構が設けられる。
【０００３】
この冷却機構として、タンク浸漬型沸騰冷却方式や個別沸騰冷却方式などがある。図６は、一般的なタンク浸漬型沸騰冷却方式の冷却機構の概略を示す断面図である。タンク浸漬型沸騰冷却方式では、半導体素子１１は、タンク１２内に貯留された冷媒１３中に浸漬されている。半導体素子１１の発熱により気化した冷媒１４は冷却用ラジエータ部１５にて冷却され、再び液化してタンク１２に戻る。
【０００４】
図７は、一般的な個別沸騰冷却方式の冷却機構の概略を示す断面図である。
個別沸騰冷却方式では、各半導体素子２１ａ，２１ｂは、それぞれ内部に冷媒２３ａ，２３ｂを貯留した個別タンク２２ａ，２２ｂの外側面に接触している。各個別タンク２２ａ，２２ｂは、半導体素子２１ａ，２１ｂの発熱により温められ、それによって冷媒２３ａ，２３ｂが気化する。気化した冷媒２４は冷却用ラジエータ部２５にて冷却され、再び液化して各個別タンク２２ａ，２２ｂに戻る。
【０００５】
ところで、上述した沸騰冷却式冷却機構を備えたインバータ装置や整流装置では、実機製造時や実機据え付け時に冷却能力を検証するため、半導体素子の発熱状態を再現する必要がある。従来、タンク浸漬型沸騰冷却方式の場合には、図６に示すように、熱風ヒータ１６、すなわちドライヤーでタンク１２の部分に熱風を吹きつけることにより、半導体素子１１の発熱状態を再現している。また、個別沸騰冷却方式の場合には、図７に示すように、半導体素子２１ａ，２１ｂの近傍に、半導体素子２１ａ，２１ｂの発熱を模擬する仮設ヒータ２６ａ，２６ｂを取り付けて加熱している。
【０００６】
また、沸騰冷却式冷却機構を備えたインバータ装置や整流装置では、冷媒中に含まれる空気が遊離して冷却用ラジエータ部１５，２５に溜り、放熱性が悪化するのを防ぐため、冷媒中に含まれる空気を抜く、いわゆる脱気作業が必要になる。この脱気作業は、冷媒１３，２３ａ，２３ｂを加熱して冷媒中の空気を遊離させるようにしておこなわれる。この場合にも、上述したように熱風ヒータ１６や仮設ヒータ２６ａ，２６ｂが用いられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱風ヒータや仮設ヒータを用いて冷媒を加熱する方法では、冷媒の加熱に時間がかかり、作業効率やエネルギー効率が悪いという問題点がある。また、仮設ヒータを準備したり、それを取り付ける作業が煩雑であるという問題点もある。
【０００８】
また、個別沸騰冷却方式の場合、その冷却能力は、半導体素子から個別タンクへの熱伝達の効率の影響を受けるため、半導体素子と個別タンクとの間の熱伝達特性を検証する必要がある。しかし、従来は、仮設ヒータによる加熱であり、したがって半導体素子自体は発熱していないため、半導体素子から個別タンクへの熱伝達特性の検証は不可能であるか、または精度よく検証するのは困難である。
【０００９】
また、個別沸騰冷却方式の場合、半導体素子の冷却熱放散は、半導体素子と冷却板である個別タンクとの取り付け状態の影響を受ける。そのため、実機の組み上げ後、半導体素子と個別タンクとの取り付け状態の品質を確認するため、従来は、高電圧を通電して半導体素子を発熱させ、その状態で温度計測をおこなう必要がある。しかし、高圧通電動作中であるため、温度計測のシステムに耐圧が要求される。そのため、光ファイバを利用した特殊な温度計や赤外線温度計などを用いる必要があり、計測装置のコスト高や精度不足という問題点がある。
【００１０】
また、個別沸騰冷却方式の場合、半導体素子を個別タンクに取り付けた後に通電特性に関する品質を確認する必要がある。そのため、高電圧を通電して半導体素子を発熱させた状態で半導体素子の両端の電極間電圧を、高耐圧のアイソレーションアンプで計測するか、あるいは大容量のスライダック（登録商標）トランスによる可変電圧電源と限流抵抗を用いた電流印加試験をおこなう必要がある。
【００１１】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、３相交流電圧と直流電圧との変換をおこなう半導体装置の半導体素子自体を発熱させることができる半導体装置への通電方法および通電装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者は、３相のインバータ装置や整流装置の直流電圧用の端子間を短絡するとともに、それら装置に３相交流電圧を供給して装置内の半導体素子に順方向の電流を流すと、半導体素子自体が発熱するとの知見を得た。
【００１３】
本発明は、この知見に基づきなされたものであり、本発明にかかる半導体装置への通電方法は、３相交流電圧の入力または出力に供される３個の端子よりなる第１の端子群、直流電圧の入力または出力に供される２個の端子よりなる第２の端子群、および前記第１の端子群の各端子と前記第２の端子群の各端子との間にそれぞれ接続された半導体素子を具備する半導体装置に対し、前記第２の端子群の端子どうしを短絡させるとともに、前記第１の端子群に３相交流電圧を供給して前記半導体素子に順方向の電流を流すことを特徴とする。
【００１４】
この発明において、前記半導体素子はダイオードであってもよいし、また、スイッチング素子であってもよい。スイッチング素子の場合には、３相交流電圧の印加時にスイッチング素子は導通状態にされる。
【００１５】
つぎの発明は、３相交流電圧の入力または出力に供される３個の端子よりなる第１の端子群、直流電圧の入力または出力に供される２個の端子よりなる第２の端子群、および前記第１の端子群の各端子と前記第２の端子群の各端子との間にそれぞれ接続された半導体素子を具備する半導体装置に接続される通電装置であって、入力電圧の周波数よりも高い周波数の交流電圧を出力する高周波インバータと、前記高周波インバータの出力電圧を降圧し、前記第１の端子群に３相交流電圧を供給して前記半導体素子に順方向の電流を流すための降圧トランスと、前記第２の端子群の端子どうしを短絡させる短絡回路と、を具備することを特徴とする。この発明において、前記高周波インバータと前記降圧トランスとの間にリアクトルが接続されていてもよい。
【００１６】
つぎの発明は、３相交流電圧供給装置であって、入力電圧の周波数よりも高い周波数の交流電圧を出力する高周波インバータと、前記高周波インバータの出力電圧を降圧して３相交流電圧を出力する降圧トランスと、を具備することを特徴とする。この発明において、前記高周波インバータと前記降圧トランスとの間にリアクトルが接続されていてもよい。
【００１７】
本発明によれば、半導体装置への通電方法および通電装置は上述したように構成されているため、半導体装置を構成する半導体素子に順方向の電流が流れ、それによって半導体素子自体を発熱させることができる。したがって、沸騰冷却型の冷却機構に対して冷却能力の検証をおこなったり、加熱脱気作業をおこなう際に、冷媒を効率よく短時間で加熱することができる。また、個別沸騰冷却型の冷却機構に対して、半導体素子から個別タンクへの熱伝達特性の検証を精度よくおこなうことができる。また、半導体素子と個別タンクとの取り付け状態の品質や、半導体素子を個別タンクに取り付けた後におこなう通電特性に関する品質を、高電圧を通電することなく容易に確認することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる半導体装置への通電方法および通電装置の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明にかかる半導体装置への通電方法を実施する際の半導体装置と通電装置との接続の一例を示す概略図である。図１に示す例では、半導体装置は、半導体素子として６個のダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６を有し、それらが２個ずつ直列接続された３列のダイオード列を並列に接続した構成の整流装置である。この半導体装置は第１の端子群として３個の３相交流用端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３と、第２の端子群として２個の直流用端子Ｔ４，Ｔ５を有する。
【００２０】
通電装置３は、高周波インバータ３１、降圧トランス３２および短絡回路３３を備えている。高周波インバータ３１は、商用電源端子３６に外部から入力された商用電圧の周波数よりも高い周波数の交流電圧を出力する。降圧トランス３２は、高周波インバータ３１の出力電圧を１〜５Ｖ程度に降圧し、半導体装置の３相交流用端子Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３に３相交流電圧を供給する。その際、降圧トランスの洩れインピーダンスにより電流および電圧の平滑化や限流がなされるので、高周波インバータ３１の出力制御によりダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６への電力印加およびその値を安定して制御することができる。短絡回路３３は、半導体装置の直流用端子Ｔ４，Ｔ５間を短絡する。高周波インバータ３１および降圧トランス３２は３相交流電圧供給装置を構成する。
【００２１】
このようにして、半導体装置に通電することによって、ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６に順方向の電流が流れ、ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６が発熱する。
【００２２】
図２は、本発明にかかる半導体装置への通電方法を実施する際の半導体装置と通電装置との接続の他の例を示す概略図である。図２に示す例では、半導体装置は、半導体素子として６個のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６と、各スイッチング素子と対をなす６個の逆並列ダイオードＤ７，Ｄ８，Ｄ９，Ｄ１０，Ｄ１１，Ｄ１２を有する３相インバータ装置である。６組の半導体素子対は２組ずつ直列接続され、かつ３列に並列接続されている。半導体装置は第１の端子群として３個の３相交流用端子Ｔ６，Ｔ７，Ｔ８と、第２の端子群として２個の直流用端子Ｔ９，Ｔ１０を有する。
【００２３】
通電装置３は、図１に示す通電装置と同じものである。降圧トランス３２の出力電圧は半導体装置の３相交流用端子Ｔ６，Ｔ７，Ｔ８に供給される。その際、降圧トランスの洩れインピーダンスにより電流および電圧の平滑化や限流がなされるので、高周波インバータ３１の出力制御によりスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６および逆並列ダイオードＤ７，Ｄ８，Ｄ９，Ｄ１０，Ｄ１１，Ｄ１２への電力印加およびその値を安定して制御することができる。短絡回路３３は、半導体装置の直流用端子Ｔ９，Ｔ１０間を短絡する。
【００２４】
スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６は、通電装置３による通電時に導通状態にされる。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６を導通状態にするには、たとえばゲート・エミッタ間に順方向バイアス（オンゲート電圧）を印加する。図２には、この順方向バイアスの印加を表すため、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６のゲート・エミッタ間にオンゲート電圧源４１が接続されている。
【００２５】
このようにして、半導体装置に通電することによって、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６および逆並列ダイオードＤ７，Ｄ８，Ｄ９，Ｄ１０，Ｄ１１，Ｄ１２に順方向の電流が流れ、それらが発熱する。
【００２６】
図３および図４は、それぞれ、図１および図２に示す構成に、高周波インバータ３１と降圧トランス３２との間に小容量のリアクトル３４を接続した例である。このリアクトル３４は、降圧トランスの洩れインピーダンスとともに、電流および電圧の平滑化や限流に寄与する。
【００２７】
上述した実施の形態によれば、半導体素子に順方向の電流を流し、それによって半導体素子自体を発熱させることができる。したがって、半導体装置に沸騰冷却型の冷却機構が付設されている場合、冷媒を迅速に加熱することができるので、冷却能力の検証や加熱脱気作業を短時間で容易におこなうことができる。また、半導体素子自体が発熱しているため、半導体素子から冷却機構の冷却板（図７参照、個別タンク２２ａ，２２ｂ）への熱伝達特性の検証を精度よくおこなうことができるので、冷却能力を精度よく検証することができる。
【００２８】
また、上述した実施の形態によれば、３相ブリッジ構成の加熱の場合、各半導体素子を均等に過熱することができるので、３相インバータやトランスの相電流アンバランスが発生するのを防ぐことができる。したがって、装置の利用率を最大にすることができる。
【００２９】
また、上述した実施の形態によれば、フリーホイリングダイオード内蔵の逆導通型スイッチング素子の場合、スイッチング素子  を導通状態にすることによりフリーホイリングダイオードとともにスイッチング素子も発熱させることができる。したがって、発熱量の絶対値およびその分布に関し、より実機に近い条件とすることができる。
【００３０】
また、上述した実施の形態によれば、商用周波数よりも高い出力周波数を有する高周波インバータ３１を用いることにより、降圧トランス３２やリアクトル３４の小型軽量化を図ることができるとともに、洩れインピーダンスを容易に確保することができる。また、重量が大きく、コストが高いスライダック（登録商標）トランスを用いていないため、通電装置を小型軽量化することができるとともに、低コスト化も図ることができる。さらには、限流抵抗を用いていないため、損失を最小限に抑えることができる。
【００３１】
また、上述した実施の形態によれば、半導体装置に印加される電圧は１〜５Ｖ程度であるため、半導体素子と冷却機構の個別タンクとの取り付け状態の品質を確認する際の温度計測システムとして、たとえば熱電対など安価で入手しやすいものを利用することができる。したがって、計測装置のコスト高や精度不足という問題点を解消することができる。
【００３２】
また、上述した実施の形態によれば、半導体装置に印加される電圧は１〜５Ｖ程度であるため、半導体素子を冷却機構の個別タンクに取り付けた後におこなう通電特性に関する品質を容易に確認することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。また、図５に示すように、通電装置をスライダック（登録商標）トランス５１と降圧トランス５２と限流抵抗５３により構成し、降圧トランス５２の出力電圧を限流抵抗５３を介して、半導体素子５４を挟む両側の冷却板５５，５６に印加するようにしてもよい。図５に示す構成の通電装置の場合、図１に示す通電装置３に比べて、限流抵抗５３による損失が増えるので、加熱作業時の使用電力効率が劣る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる半導体装置への通電方法を実施する際の半導体装置と通電装置との接続の一例を示す概略図である。
【図２】本発明にかかる半導体装置への通電方法を実施する際の半導体装置と通電装置との接続の他の例を示す概略図である。
【図３】図１に示した接続例の変形例を示す概略図である。
【図４】図２に示した接続例の変形例を示す概略図である。
【図５】本発明にかかる半導体装置への通電方法を実施する際の半導体装置と通電装置との接続のさらに他の例を示す概略図である。
【図６】一般的なタンク浸漬型沸騰冷却方式の冷却機構の概略を示す断面図である。
【図７】一般的な個別沸騰冷却方式の冷却機構の概略を示す断面図である。
【符号の説明】
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６  半導体素子（ダイオード）
Ｄ７，Ｄ８，Ｄ９，Ｄ１０，Ｄ１１，Ｄ１２
半導体素子（逆並列ダイオード）
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６  半導体素子（スイッチング素子）
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ６，Ｔ７，Ｔ８  第１の端子群（３相交流用端子）
Ｔ４，Ｔ５，Ｔ９，Ｔ１０  第２の端子群（直流用端子）
３  通電装置
３１  高周波インバータ
３２  降圧トランス
３３  短絡回路
３４  リアクトル
【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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【図６】
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【図７】
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