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JP6285299B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関する。
一般に、半導体が収納された半導体ユニットで構成された半導体装置が知られている。半導体装置は、半導体を冷却するための冷却構造を備える。
例えば、半導体ユニットを風洞内に引き出し可能に多段積みし、風洞上部に強制風冷用のファンを取り付ける冷却装置において、各半導体ユニットの引き出しに応じて引き出し後の空所を閉鎖するシャッターを設けることが開示されている（特許文献１参照）。
特開平４−２１７３５３号公報
しかしながら、半導体ユニットを垂直方向に配置し、冷却ファンにより上部から冷却風を排気する半導体装置の場合、各段の半導体ユニットを冷却する冷却風の風速に差がでる。このため、各半導体ユニットの冷却効果にバラつきが生じ、半導体装置全体の冷却効率が悪くなる。
そこで、本発明の目的は、垂直方向に配置した各半導体ユニットに流れる冷却風の風速の差を減らす半導体装置を提供することにある。
本発明の観点に従った半導体装置は、盤形状の筐体と、前記筐体の上面から排気し、前記上面に設けられる冷却ファンと、前記冷却ファンよりも下にある空間を第１の空間と第２の空間に垂直方向に仕切り、前記冷却ファンにより発生する冷却風が前記第１の空間から前記第２の空間に通り抜ける複数の開口部がある仕切り板と、前記冷却風により冷却され、前記第１の空間に垂直方向に配置される複数の半導体ユニットと、前記仕切り板の前記複数の開口部の少なくとも１つに取り付けられ、前記冷却風の風速を制限するスリット板とを備える。
本発明によれば、垂直方向に配置した各半導体ユニットに流れる冷却風の風速の差を減らす半導体装置を提供することができる。
本発明の実施形態に係る無停電電源装置の構成を示す側方断面図。 本実施形態に係る無停電電源装置の電気回路を示す回路図。 本実施形態に係る仕切り板にスリット板が設けられた外形を示す外形図。 本実施形態に係る開口率５０％のスリット板を示す外形図。 本実施形態に係る開口率７０％のスリット板を示す外形図。 本実施形態に係る無停電電源装置に流れる冷却風のスリット板がない状態の風速シミュレーション結果を表す風速分布図。 本実施形態に係る無停電電源装置に流れる冷却風のスリット板がある状態の風速シミュレーション結果を表す風速分布図。
（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る無停電電源装置１の構成を示す側方断面図である。図２は、本実施形態に係る無停電電源装置１の電気回路を示す回路図である。なお、ここでは、無停電電源装置について説明するが、冷却を必要とする半導体を用いる半導体装置であれば、どのようなものでもよい。また、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。
無停電電源装置１は、強制風冷により半導体を冷却する半導体装置である。無停電電源装置１は、盤形状（直方体形状）の筐体ＣＨの内部に構成部品が収納された盤タイプで、ＵＬ(Underwriters Laboratories Inc.)認証が得られる構成である。無停電電源装置１は、通常時（正常時）は、商用電源などの交流電源２２から供給される交流電力により、負荷２３に電力を供給する。交流電源２２が停電すると、蓄電池２１から供給される直流電力により、負荷２３に電力を供給する。
図２を参照して、無停電電源装置１の回路について説明する。
無停電電源装置１は、チョッパ回路（チョッパユニット）２、三相分の電力変換回路（コンバータユニット）３，４，５、冷却ファン７、ダイオード整流器ＤＳＭ、三相分の入力側コンデンサＣ１、三相分の出力側コンデンサＣ２、４つの遮断器ＣＢ１，ＣＢ２Ｐ，ＣＢ２Ｎ，ＣＢ３、３つのリアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３、及び２つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２を備える。無停電電源装置１は、蓄電池２１、交流電源２２及び負荷２３とそれぞれ接続されている。無停電電源装置１は、交流電源２２と三相三線式で接続され、負荷２３と三相四線式で接続されている。
電力変換回路３〜５は、それぞれＵ相、Ｖ相及びＷ相に対応して設けられている。電力変換回路３〜５は、コンバータ回路ＣＮとインバータ回路ＩＮの直流側同士が直流リンクで接続された回路である。交流電源２２から入力された交流電力は、遮断器ＣＢ１及びリアクトルＬ２を順次に介して、相毎に電力変換回路３〜５に入力される。電力変換回路３〜５は、入力された三相交流電力を直流電力に変換して、負荷２３に供給する三相交流電力に変換する。電力変換回路３〜５は、変換した三相交流電力をリアクトルＬ３及び遮断器ＣＢ３を順次に介して、負荷２３及び冷却ファン７に出力する。冷却ファン７の入力側には、スイッチＳＷ２が設けられている。無停電電源装置１の入力側の各相は、入力側コンデンサＣ１を介して、無停電電源装置１の出力側の中性点と接続されている。無停電電源装置１の出力側の各相は、出力側コンデンサＣ２を介して、無停電電源装置１の出力側の中性点と接続されている。
蓄電池２１は、交流電源２２の停電時に電力を供給するためのエネルギーを蓄える電池である。蓄電池２１から出力された直流電力は、停電時に、正極及び負極にそれぞれ設けられた２つの遮断器ＣＢ２Ｐ，ＣＢ２Ｎ及びリアクトルＬ１を順次に介して、チョッパ回路２に供給する。チョッパ回路２は、入力された直流電圧を調整して、電力変換回路３〜５のそれぞれの直流リンクに直流電力を供給する。蓄電池２１を充電する場合、ダイオード整流器ＤＳＭは、スイッチＳＷ１を介して交流電源２２から入力される三相交流電力を直流電力に変換して、チョッパ回路２に出力する。チョッパ回路２は、電力変換回路３〜５の直流リンク又はダイオード整流器ＤＳＭから入力された直流電力により、蓄電池２１を充電するように動作する。
図１を参照して、無停電電源装置１の盤内の構成について説明する。図１中の矢印は、冷却風の流れを示している。
無停電電源装置１の盤内には、チョッパユニット２、３つのコンバータユニット３〜５、制御ユニット６、冷却ファン７、コンデンサユニット８、２つの遮断器ユニット９，１０、及び３つのリアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３が実装されている。なお、この他にも、無停電電源装置１の盤内には、図２に示す電気回路を構成する素子及び機器などが実装されているが、ここでは省略する。
無停電電源装置１の内部は、大半の構成部品が実装された空間と、冷却風が通り抜ける風洞としての役割を持ち、リアクトルＬ１〜Ｌ３が実装された空間の２つの空間に分けられる。強制風冷用の冷却ファン７は、筐体ＣＨの上面（天井面）の背面側の空間に設けられている。無停電電源装置１の上部は、冷却ファン７が設けられている背面側の空間が前面側の空間よりも広い。無停電電源装置１の内部の大部分を占める下側の空間は、背面側の空間よりも前面側の空間の方が広い。無停電電源装置１の下側の空間は、前面側と背面側を仕切り板ＢＤで仕切られている。
チョッパユニット２及びコンバータユニット３〜５（以下、「半導体ユニット２〜５」という。）は、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)等のスイッチング素子１１で構成される電気回路を備える。スイッチング素子１１は、発熱量が多く、特に冷却を必要とする半導体である。スイッチング素子１１は、薄板形状である。スイッチング素子１１は、スイッチング素子１１を冷却する冷却フィン１２の上面に設けられている。スイッチング素子１１及び冷却フィン１２は、半導体ユニット２〜５の背面側に実装されている。半導体ユニット２〜５は、前面側から背面側に冷却風が通り抜ける構造である。冷却フィン１２が冷却風により冷却されることで、スイッチング素子１１が冷却される。
半導体ユニット２〜５は、全てほぼ同形状であり、奥行き及び幅に比べて高さが短い（低い）直方体形状である。半導体ユニット２〜５は、無停電電源装置１の前面側で下側の空間に設けられている。半導体ユニット２〜５の奥行きは、無停電電源装置１の前面の内側から仕切り板ＢＤまでの長さよりも１回り小さい長さである。従って、半導体ユニット２〜５の前面は、盤内の前面に近接（又は接触）し、半導体ユニット２〜５の背面は、仕切り板ＢＤに近接（又は接触）している。
半導体ユニット２〜５は、多段積みされるように垂直方向に配置されており、各ユニット２〜５間には、少し隙間がある。最下段にあるコンバータユニット５は、無停電電源装置１の底面に接触するように設置されている。コンバータユニット４は、コンバータユニット５の上に設置されている。コンバータユニット３は、コンバータユニット４の上に設置されている。半導体ユニット２〜５のうち最上段にあるチョッパユニット２は、コンバータユニット３の上に設置されている。
コンデンサユニット８は、図２に示す入力側コンデンサＣ１及び出力側コンデンサＣ２が収納されたユニットである。コンデンサユニット８は、半導体ユニット２〜５とほぼ同形状である。コンデンサユニット８は、チョッパユニット２の上に設置されている。
制御ユニット６は、無停電電源装置１の制御を行う基板等が実装されたユニットである。制御ユニット６は、コンデンサユニット８の上の前面側に設置されている。
遮断器ユニット９は、図２に示す２つの遮断器ＣＢ２Ｐ，ＣＢ２Ｎが収納されたユニットである。遮断器ユニット９は、コンデンサユニット８の上の背面側に設置されている。
遮断器ユニット１０は、図２に示す２つの遮断器ＣＢ１，ＣＢ３が収納されたユニットである。遮断器ユニット１０は、冷却ファン７が設けられている空間の前面側に隣接する空間に設けられている。
リアクトルＬ１〜Ｌ３は、半導体ユニット２〜５が実装されている空間の背面側にある仕切り板ＢＤを隔てた空間に設置されている。リアクトルＬ１〜Ｌ３は、長手方向が垂直方向の直方体形状又は円柱形状である。リアクトルＬ１〜Ｌ３は、垂直方向に積み重なるように配置されている。リアクトルＬ１〜Ｌ３が設置されている空間は、半導体ユニット２〜５が実装されている空間から排出された冷却風が上昇して、冷却ファン７に流れる風洞となる。
冷却風の吸気口Ｋｉは、無停電電源装置１の前面の下部に、下から３つの半導体ユニット（コンバータユニット）３〜５が位置する箇所に設けられている。仕切り板ＢＤの開口部Ｋ１〜Ｋ４は、各半導体ユニット２〜５のそれぞれの背面に位置する部分に対応して設けられている。前面の吸気口Ｋｉから取り込まれた冷却風は、各半導体ユニット２〜５を冷却フィン１２を冷却するように通り抜け、仕切り板ＢＤの各開口部Ｋ１〜Ｋ４から無停電電源装置１の背面側の空間に排出される。背面側の空間に排出された冷却風は、上向きに流れ、無停電電源装置１の上面に設けられた冷却ファン７から排気される。
図３は、本実施形態に係る仕切り板ＢＤにスリット板ＳＬ１，ＳＬ２が設けられた外形を示す外形図である。図４は、開口率５０％のスリット板ＳＬ１を示す外形図である。図５は、開口率７０％のスリット板ＳＬ２を示す外形図である。ここで、開口率は、スリット板が設けられていない状態の開口部Ｋ１〜Ｋ４の開口率を１００％とした割合である。
仕切り板ＢＤに設けられた開口部Ｋ１〜Ｋ４のうち１番上にある開口部Ｋ１と一番したにある開口部Ｋ４にはスリット板が設けられていない。即ち、これらの開口部Ｋ１，Ｋ４の開口率は、１００％である。上から２番目にある開口部Ｋ２には、開口率５０％のスリット板ＳＬ１が取り付けられている。上から３番目にある開口部Ｋ３には、開口率７０％のスリット板ＳＬ２が取り付けられている。スリット板ＳＬ１，ＳＬ２の開口率は、スリットＳＳの数により調整される。なお、スリット板ＳＬ１，ＳＬ２の開口率は、スリットＳＳの大きさで調整してもよい。
図６は、本実施形態に係る無停電電源装置１に流れる冷却風のスリット板ＳＬ１，ＳＬ２がない状態の風速シミュレーション結果を表す風速分布図である。図７は、本実施形態に係る無停電電源装置１に流れる冷却風のスリット板ＳＬ１，ＳＬ２がある状態の風速シミュレーション結果を表す風速分布図である。
図６及び図７を参照して、スリット板ＳＬ１，ＳＬ２を取り付け箇所及び開口率を決定する方法について説明する。なお、ここでは、コンピュータによるシミュレーションを行うことで、スリット板ＳＬ１，ＳＬ２を決定する方法について説明するが、シミュレーションではなく、冷却風の風速を実測してもよいし、経験的に決定してもよいし、その他の方法で決定してもよい。
スリット板ＳＬ１，ＳＬ２がない状態では、各半導体ユニット２〜５に流れる冷却風の風速には、バラつきがある。冷却ファン７が無停電電源装置１の上部に取り付けられているため、原則として上の方が静圧は高くなる。即ち、上の方が冷却風の風速が速くなる。但し、１番上に位置するチョッパユニット２は、吸気口Ｋｉが自身の高さよりも少し下の位置にある。これに対し、他のコンバータユニット３〜５は、それぞれの高さの位置に吸気口Ｋｉがある。従って、コンバータユニット３〜５を流れる冷却風は、それぞれのコンバータユニット３〜５の前面側から背面側に一直線上に通り抜ける。これに対し、チョッパユニット２を流れる冷却風は、少し下側から斜め上方向に盤内に取り込まれてからチョッパユニット２を通り抜ける。即ち、チョッパユニット２を流れる冷却風は、一直線上には流れない（図１参照）。従って、チョッパユニット２は、コンバータユニット３よりも上に位置するが、チョッパユニット２を流れる冷却風は、コンバータユニット３を流れる冷却風よりも風速が遅くなる。
図６を参照すると、上から２つ目の半導体ユニット３を流れる冷却風の風速が一番速いため、半導体ユニット３の背面側に位置する開口部Ｋ２に開口率５０％のスリット板ＳＬ１を取り付ける。上から３つ目の半導体ユニット４に位置する開口部Ｋ３には、開口部Ｋ２に取り付けられたスリット板ＳＬ１よりも開口率が高い開口率７０％のスリット板ＳＬ２を取り付ける。一番上の半導体ユニット２と一番下の半導体ユニット５のそれぞれに位置する開口部Ｋ１，Ｋ２にはスリット板を取り付けない。即ち、これらの開口部Ｋ１，Ｋ４は、開口率１００％となる。開口部Ｋ１〜Ｋ４の開口率が低いほど、開口部Ｋ１〜Ｋ４を通り抜ける冷却風の風速が制限される。
この状態で、冷却風の風速シミュレーションを行うと、図７に示すようになる。図７に示す風速シミュレーション結果では、各半導体ユニット２〜５に流れる冷却風は、ほぼ均一の風速で流れている。従って、スリット板ＳＬ１，ＳＬ２は、この状態で取り付けることに決定する。もし、各半導体ユニット２〜５に流れる冷却風にバラつきがあるようであれば、スリット板ＳＬ１，ＳＬ２の開口率を変更したり、新たにスリット板を設けたりすることで、各開口部Ｋ１〜Ｋ４の開口率を調整する。この調整を全ての半導体ユニット２〜５に流れる冷却風が均一になるまで繰り返す。
本実施形態によれば、仕切り板ＢＤに設けられた開口部Ｋ１〜Ｋ４に開口率を変えるスリット板ＳＬ１，ＳＬ２を設けることで、開口部Ｋ１〜Ｋ４を通過する冷却風の風速を制限（調整）することができる。これにより、各半導体ユニット２〜５に流れる冷却風の風速を均一にして、半導体ユニット２〜５の冷却効率を向上させることができる。
例えば、全ての半導体ユニット２〜５が十分に冷却されるようにするには、スリット板ＳＬ１，ＳＬ２を用いずに、最も冷却風が遅い半導体ユニット５が十分に冷却されるように、冷却ファン７を選定することが考えられる。この場合、最も速い冷却風が流れる半導体ユニット３には、必要以上に速い冷却風が流れる。即ち、冷却ファン７は、余分なエネルギーを消費していることになる。これに対して、スリット板ＳＬ１，ＳＬ２を用いて、各半導体ユニット２〜５に流れる冷却風の風速を均一にすることで、必要以上に冷却風が速く流れる半導体ユニット２〜５を無くすことができる。従って、前述のスリット板ＳＬ１，ＳＬ２を用いない場合と比較して、容量の小さい冷却ファン７を選定することができる。これにより、無停電電源装置１の盤内を効率よく冷却し、無停電電源装置１の製造コストを低減することができる。
また、スリット板ＳＬ１，ＳＬ２を用いずに、各半導体ユニット２〜５のそれぞれの冷却フィン１２の形状を変えて、各冷却風の風速を均一にすることが考えられる。しかし、この場合は、コンバータユニット３〜５の冷却フィン１２の形状がそれぞれ異なる形状になり、各コンバータユニット３〜５を取り付け位置毎に構成を変える必要がある。これに対し、スリット板ＳＬ１，ＳＬ２を用いることで、各コンバータユニット３〜５の構成を取り付け位置に関係なく共通にすることができる。各コンバータユニット３〜５の構成を共通にすることで、無停電電源装置１の生産性が向上し、製造コストを低減することができる。
さらに、スリット板ＳＬ１，ＳＬ２を用いずに、各半導体ユニット２〜５が実装されている空間の寸法（例えば、奥行き）を各半導体ユニット２〜５に流れる冷却風の風速が均一になるように変更することが考えられる。この場合、無停電電源装置１の盤内に空間の寸法を変更できるだけの余裕がなければならず、また、筐体ＣＨの大幅な変更を伴う可能性がある。
また、無停電電源装置１の仕様変更に伴って改造をする場合、改造後も各半導体ユニット２〜５が十分に冷却されるようにしなければならない。しかし、無停電電源装置１の周波数又は定格電圧が変更になる場合、必ずしも各半導体ユニット２〜５が改造前と同様に冷却できるとは限らない。従って、改造後の無停電電源装置１において、各半導体ユニット２〜５の冷却能力を検証する必要がある。
もし、改造後の無停電電源装置１において、半導体ユニット２〜５のうち１つでも十分に冷却できないものがあった場合、無停電電源装置１を再度改造する必要がある。ここで、スリット板ＳＬ１，ＳＬ２を用いれば、簡単に、各半導体ユニット２〜５の冷却風を個別に調整でき、各半導体ユニット２〜５の冷却能力を容易に変更することができる。一方、スリット板ＳＬ１，ＳＬ２を用いずに、各半導体ユニット２〜５の冷却能力を変更する改造をしようとすると、盤内の構造又は機器の配置を変えたり、各半導体ユニット２〜５の冷却フィン１２の形状を変えたりしなければならない。これは、スリット板ＳＬ１，ＳＬ２を取り付ける場合と比較して改造コストが高くなる。
さらに、本実施形態では、半導体ユニット２〜５の冷却について主に説明したが、制御ユニット６及びコンデンサユニット８などの他の機器及びユニットについても、実施形態で説明した構成にすることで、十分に冷却することができる。
なお、実施形態では、四段積みの半導体ユニット２〜５の構成について説明したが、二段以上の多段積みの半導体ユニットであれば、半導体ユニットはいくつでもよい。また、仕切り板ＢＤの開口部Ｋ１〜Ｋ４は、半導体ユニット２〜５に対応して設けたが、必ずしもそれぞれ半導体ユニット２〜５に対応して設けられていなくてもよい。開口部Ｋ１〜Ｋ４を半導体ユニット２〜５に対応して設けることで、各半導体ユニット２〜５の冷却能力を調整し易くすることができる。また、２以上の開口部が設けられていれば、いくつの開口部が設けられていてもよい。開口部が２つの場合、一方の開口部にスリット板を取り付けることで、２つの開口部を通り抜ける冷却風の風速の差を減らすことができる。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１…無停電電源装置、２…チョッパユニット、３〜５…コンバータユニット、６…制御ユニット、７…冷却ファン、８…コンデンサユニット、９，１０…遮断器ユニット、１１…スイッチング素子、１２…冷却フィン、ＢＤ…仕切り板、ＣＨ…筐体、Ｋ１〜Ｋ４…開口部、Ｋｉ…吸気口、Ｌ１〜Ｌ３…リアクトル、ＳＬ１，ＳＬ２…スリット板

Claims (5)

  1. 盤形状の筐体と、
    前記筐体の上面から排気し、前記上面に設けられる冷却ファンと、
    前記冷却ファンよりも下にある空間を第１の空間と第２の空間に垂直方向に仕切り、前記冷却ファンにより発生する冷却風が前記第１の空間から前記第２の空間に通り抜ける複数の開口部がある仕切り板と、
    前記冷却風により冷却され、前記第１の空間に垂直方向に配置される複数の半導体ユニットと、
    前記仕切り板の前記複数の開口部の少なくとも１つに取り付けられ、前記冷却風の風速を制限するスリット板と
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記複数の開口部のうち少なくとも１つは、前記スリット板を取り付けないこと
    を特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記スリット板は、複数備え、互いに開口率が異なること
    を特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記仕切り板の前記複数の開口部は、前記半導体ユニットに対応して設けられること
    を特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  5. 盤形状の筐体の上面から排気する冷却ファンを前記上面に設け、
    前記冷却ファンよりも下にある空間を第１の空間と第２の空間に垂直方向に仕切り板により仕切り、
    前記仕切り板に、前記冷却ファンにより発生する冷却風が前記第１の空間から前記第２の空間に通り抜ける複数の開口部を設け、
    前記仕切り板の前記複数の開口部の少なくとも１つに、前記冷却風の風速を制限するスリット板を取り付けること
    を含むことを特徴とする半導体装置の冷却方法。
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