(57)【要約】【課題】冷却体の製作限界幅や限界冷却容量の影響を受けることなく、冷却容量を増大させる。【解決手段】ＩＧＢＴなどのスイッチング素子やダイオード素子などの半導体素子１〜３と、冷却体５〜６との間に板状の仲介部材４を介在させ、その一方の面に各半導体素子１〜３を、他方の面に多数の冷却体５〜６を、ネジ止めによりそれぞれ締結し、１つの冷却体とする。板状仲介部材４により、複数の冷却体５，６，７が熱的に結合されるため、熱的容量を実質的に増大させることが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３レベル電力変換装置を構成する半導体素子の冷却構造であって、
前記半導体素子と冷却体との間に板状の仲介部材を介在させ、その一方の面には複数の半導体素子を、もう一方の面には複数の冷却体を、ネジ止めによりそれぞれ締結し、１つの冷却体とすることを特徴とする３レベル電力変換装置の冷却構造。
【請求項２】
前記仲介部材の少なくとも一部にヒートパイプ，ヒートレーン，ベーパーチャンバーのいずれかによる冷媒の沸騰・凝縮を活用した熱移動促進機構を用いたことを特徴とする請求項１に記載の３レベル電力変換装置の冷却構造。
【請求項３】
前記仲介部材を複数に分割したことを特徴とする請求項２に記載の３レベル電力変換装置の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力変換装置を構成する半導体素子の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力変換装置に対する大容量化の需要が高まっている。
その手段の1つとして、多レベル電力変換装置による装置の高圧化があり（装置容量＝電圧×電流）、その代表が３レベル電力変換装置である。３レベル電力変換装置の例は、例えば特許文献１に開示されている。図４は、その特許文献１に開示された３レベルインバータ回路の１相分を示す回路図である。
【０００３】
図４において、Ｑ１〜Ｑ４はスイッチング素子としての例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＣＤ１，ＣＤ２はダイオードである。この電力変換装置では、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ４をｏｎ−ｏｆｆさせることにより、直流電源ＰＮから交流電力を作ったり、その逆の変換をしたりする。３レベル回路では、Ｑ１とＱ２およびＱ３とＱ４がそれぞれ直列に接続されていることから、装置として素子耐圧の２倍の電圧を取り出すことが可能である。
【０００４】
図５は、図４の構造例を示す概要図である。Ｑ１〜Ｑ４はＩＧＢＴ、ＣＤ１，ＣＤ２はダイオード、Ｈはこれらを冷却するための冷却体である。この冷却体Ｈは、通流時ＩＧＢＴやダイオードから発生する熱を取り除き、許容温度以下に保つために設けられる。なお、ＩＧＢＴおよびダイオードは、ネジ止めにより冷却体に取り付けられている。図５では、１相分の半導体素子Ｑ１〜Ｑ４，ＣＤ１，２を１つの冷却体Ｈで冷却しているが、その理由は以下の通りである。
【０００５】
図６に、３レベル回路の運転モード毎の発熱分担例を示す。
同図から、３レベル回路では力率に応じて発熱分担が変わることが分かる。例えば、図６（ａ）のように力率＝１の場合はＱ１：１００[Ｗ]，Ｑ２：５０[Ｗ]，ＣＤ１：５０[Ｗ]であっても、力率＝０になると図６（ｂ）のようにＱ１：５０[Ｗ]，Ｑ２：１００[Ｗ]，ＣＤ１：５０[Ｗ]のように変化する。
【０００６】
このため、例えば図７のように、半導体素子毎に冷却体を用意すると、合計２５０[Ｗ]分の冷却体が必要になる。しかし、図８のように同一冷却体で冷却すると、合計２００[Ｗ]分の冷却体で済む。このような理由から、３レベル回路では複数の半導体を同一冷却体で冷却する方が効率的と言う訳である。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１６０２４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、電力変換装置を更に大容量化しようとすると、上記特許文１のような冷却方法では問題が残る。すなわち、大容量化のために、高電圧化に加えて大電流化も行なおうとすると、素子の発熱はさらに増大し、これに対応するためには冷却体が大きくなるという問題である。
したがって、この発明の課題は、冷却体の製作限界幅や限界冷却容量の影響を受けることなく、冷却容量を増大させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、３レベル電力変換装置を構成する半導体素子の冷却構造であって、
前記半導体素子と冷却体との間に板状の仲介部材を介在させ、その一方の面には複数の半導体素子を、もう一方の面には複数の冷却体を、ネジ止めによりそれぞれ締結し、１つの冷却体とすることを特徴とする。
【００１０】
上記請求項１の発明においては、前記前記仲介部材の少なくとも一部にヒートパイプ，ヒートレーン，ベーパーチャンバーのいずれかによる冷媒の沸騰・凝縮を活用した熱移動促進機構を用いることができる（請求項２の発明）。この請求項２の発明においては、前記仲介部材を複数に分割することができる（請求項３の発明）。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、電力変換装置の半導体素子の冷却構造において、冷却体の製作限界幅や限界冷却容量等の影響を受けずに、冷却容量を増大できるという利点が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１はこの発明の実施の形態を説明するための構成図である。
図４，５で示した３レベル回路のうちの、例えばＱ１，Ｑ２，ＣＤ１に関する冷却構造を示している。すなわち、図１（ａ）の冷却構造はＩＧＢＴ１，２（Ｑ１，Ｑ２）、ダイオード３（ＣＤ１）、板状仲介部材４、冷却体５，６，７から構成されており、各冷却体５，６，７は図１（ｂ）に示す従来例と同じ構成になっている。ＩＧＢＴ１，２およびダイオード３は板状仲介部材４の上面にネジ止めされ、冷却体５，６，７は板状仲介部材４の下面にネジ止めされる。
【００１３】
また、板状仲介部材４としては、銅，アルミなど熱伝導性の良い板状のものを用いるとともに、各素子と板状仲介部材４との接触面には、それぞれ熱伝導性の高いコンパウンドなどが塗布される。各冷却体５，６，７はベース板７１と羽７２から形成され、その材質にはそれぞれ銅，アルミなど熱伝導性の良いものが用いられる。ベース板７１と羽７２との結合は、ロー付け，カシメ等によりなされている。なお、各冷却体５，６，７は図１（ｂ）に示す従来例と同じく、その幅寸法は各々２５０[ｍｍ]で、冷却容量は１個あたり２００[Ｗ]とされている。
【００１４】
このような構成により、ＩＧＢＴ１，２およびダイオード３から発生する熱は、板状仲介部材４を介して冷却体５，６，７に伝わり、最終的に外気に放出される。仮に、ＩＧＢＴ１が他の素子に比べて突出した熱量を発生した場合でも、その熱は板状仲介部材４を介して冷却体６，７に伝わり、放熱されることになるため、突出したままの温度となることはない。
【００１５】
また、図１（ａ）では板状仲介部材４により、複数の冷却体５，６，７を熱的に結合させている。そのため、図１（ｂ）のような従来例とは異なり、冷却体の製作制限寸法に関係無く大きな冷却容量が得られる。例えば、図１（ａ）の例の場合、冷却容量が３００＋１５０＋１５０＝６００[Ｗ]まで高められている。つまり、装置の大容量化が行なわれることになる。
【００１６】
図２に、この発明の別の実施の形態を示す。図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。
図２（ａ），（ｂ）からも明らかなように、図１とは板状仲介部材４の内部にヒートパイプ４１を埋め込んだ点で相違する。ヒートパイプ４１を設けたことで、冷却体５，６，７間の熱的結合が強まり、素子の温度をより平準化することができる。
【００１７】
図３に、この発明のさらに別の実施の形態を示す。
これは、図２を変形したもので、板状仲介部材４を４Ａ，４Ｂ，４Ｃ分割した点が特徴である。つまり、板材にヒートパイプを埋め込む場合、板材に貫通穴を開け、そこにヒートパイプを挿入する方法が一般的であるが、板材が長くなると加工も難しくなる。そこで、板状仲介部材４を分割することで、穴あけ加工をし易くするものである。
【００１８】
以上では、多レベル回路として３レベル回路を用いたが、この発明はこれに限るものではなく、また、冷却体の例として櫛型フィンを用いたが、これに限るものでもない。さらに、冷媒の沸騰・凝縮を活用した熱伝導促進機構としてヒートパイプを用いたが、ヒートレーンやベーパーチャンバーなどを用いることができるのは言うまでも無い。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の実施の形態を説明するための構成図
【図２】この発明の別の実施の形態を示す構成図
【図３】この発明のさらに別の実施の形態を示す構成図
【図４】３レベル回路の従来例を示す回路構成図
【図５】図４の構造を示す構成図
【図６】従来の３レベル回路における発熱分担例の説明図
【図７】従来の分割冷却体を示す構成図
【図８】従来の一体型冷却体を示す構成図
【符号の説明】
【００２０】
１，２…ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、３…ダイオード、４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ…板状仲介部材、５，６，７…冷却体、７１…ベース板、７２…羽。
【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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【図８】
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