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JP2009254106A - Instantaneous voltage drop compensator - Google Patents

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JP2009254106A
JP2009254106A JP2008098198A JP2008098198A JP2009254106A JP 2009254106 A JP2009254106 A JP 2009254106A JP 2008098198 A JP2008098198 A JP 2008098198A JP 2008098198 A JP2008098198 A JP 2008098198A JP 2009254106 A JP2009254106 A JP 2009254106A
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Japan
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power semiconductor
power
voltage drop
instantaneous voltage
metal plate
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JP2008098198A
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Hirosuke Mori
啓輔 森
Yosuke Yamamoto
洋輔 山本
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Nichicon Corp
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Nichicon Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an instantaneous voltage drop compensator in which the heat sink is effectively utilized, the reduction in size and weight is achieved, and assembly into the other equipment is easy. <P>SOLUTION: In the instantaneous voltage drop compensator, electric power of a commercial power supply is supplied to a load during normal operation, and the electric power is supplied to the load by a voltage generated from a charging voltage of a compensation capacitor at the time of instantaneous voltage drop. This compensator includes: power semiconductor elements Q<SB>1</SB>, Q<SB>3</SB>; a metal plate 13 which is commonly provided for the power semiconductor elements Q<SB>1</SB>, Q<SB>3</SB>and in which the power semiconductor elements Q<SB>1</SB>, Q<SB>3</SB>are mounted on one main surface 13a side; heat spreaders HS<SB>1</SB>, HS<SB>3</SB>which are separatedly provided at the power semiconductor elements Q<SB>1</SB>, Q<SB>3</SB>respectively and are joined to respective power semiconductor elements; an insulating layer 14 interposed between the respective heat spreaders HS<SB>1</SB>, HS<SB>3</SB>and the metal plate 13; and a heat sink H which abuts on the other main surface 13b side of the metal plate 13. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、負荷に電力を供給する商用電源において瞬時電圧低下が発生した場合に商用電源と負荷とを切り離し、当該商用電源に並列に設けられた補償電圧生成回路で負荷に電力を供給する瞬時電圧低下補償装置に関する。   In the present invention, when an instantaneous voltage drop occurs in a commercial power source that supplies power to a load, the commercial power source and the load are disconnected, and instantaneous power is supplied to the load by a compensation voltage generation circuit provided in parallel to the commercial power source. The present invention relates to a voltage drop compensation device.

近年、パワーエレクトロニクス機器やコンピュータ等の各種電気機器の普及により、落雷等による停電はもちろんのこと、停電に至らない0.2〜1秒間程度の瞬時電圧低下(以下、単に「瞬低」という)による各種電気機器の障害が問題となっている。このため、銀行オンライン設備、交通管制設備等の重要負荷設備では、商用交流電源に発生した瞬低を速やかに検出し、重要負荷設備に供給すべき電力を補償する、瞬時電圧低下補償装置が導入されている(例えば、特許文献1参照)。   In recent years, due to the widespread use of various electronic devices such as power electronics equipment and computers, not only power outages due to lightning strikes, but also instantaneous voltage drops for about 0.2 to 1 second that do not lead to power outages (hereinafter simply referred to as “instantaneous drops”) The failure of various electrical equipment due to is a problem. For this reason, in critical load facilities such as bank online facilities and traffic control facilities, an instantaneous voltage drop compensator is introduced that quickly detects the instantaneous drop that occurs in commercial AC power and compensates the power to be supplied to the critical load facility. (For example, refer to Patent Document 1).

図1に、従来から使用されている常時商用給電式の瞬時電圧低下補償装置を示す。瞬時電圧低下補償装置1’は、主に系統切替スイッチ回路2と補償電圧生成回路3とを備える。このうち、系統切替スイッチ回路2は、商用電源4と負荷5を接続して商用電源4の電力を負荷5に常時供給するとともに、瞬低発生時に商用電源4と負荷5を切り離し、商用電源4からの電力供給を遮断する。また、補償電圧生成回路3は、瞬低発生時に補償用コンデンサCに蓄積されていた電力を負荷に供給する。   FIG. 1 shows a constant commercial power supply type instantaneous voltage drop compensator that has been conventionally used. The instantaneous voltage drop compensation device 1 ′ mainly includes a system changeover switch circuit 2 and a compensation voltage generation circuit 3. Among these, the system changeover switch circuit 2 connects the commercial power source 4 and the load 5 to constantly supply the power of the commercial power source 4 to the load 5, and disconnects the commercial power source 4 and the load 5 when an instantaneous drop occurs. The power supply from is cut off. In addition, the compensation voltage generation circuit 3 supplies the power stored in the compensation capacitor C to the load when the instantaneous drop occurs.

具体的には、系統切替スイッチ回路2は、ダイオードD〜Dからなるブリッジダイオードと、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等のパワー半導体素子Q、Qとを備える。また、パワー半導体素子Qの商用電源4側には、負荷5を接続する際に発生する突入電流を制限するための抵抗Rが備えられている。この構成では、パワー半導体素子Q、Qの双方がOFF状態になると、商用電源4と負荷5とが切り離される。
補償電圧生成回路3は、主に補償用コンデンサCと、コイルL、パワー半導体素子QおよびダイオードDからなる昇圧回路と、パワー半導体素子Q〜Qおよび還流用ダイオードD〜Dからなるインバータとを備える。商用電源4に瞬低が発生すると、補償用コンデンサCの充電電圧が昇圧回路で昇圧されて所定の直流電圧が生成され、さらに、その直流電圧がインバータでスイッチングされて負荷5に出力すべき交流電圧が生成される。これにより、瞬低中においても負荷5に必要電力が供給され、瞬時電圧低下が補償される。
なお、各パワー半導体素子のゲートは、不図示の制御部によって適宜制御される。
Specifically, the system changeover switch circuit 2 includes a bridge diode composed of diodes D 6 to D 9 and power semiconductor elements Q 5 and Q 6 such as IGBT (insulated gate bipolar transistor). Further, a resistor R 2 for limiting an inrush current generated when the load 5 is connected is provided on the side of the commercial power supply 4 of the power semiconductor element Q 6 . In this configuration, when both the power semiconductor elements Q 5 and Q 6 are turned off, the commercial power supply 4 and the load 5 are disconnected.
Compensation voltage generating circuit 3 is mainly the compensation capacitor C, a coil L, a booster circuit consisting of power semiconductor elements Q 8 and diode D 5, the power semiconductor element Q 1 to Q 4 and a reflux diode D 1 to D 4 The inverter which consists of. When an instantaneous drop occurs in the commercial power supply 4, the charging voltage of the compensation capacitor C is boosted by the booster circuit to generate a predetermined DC voltage, and the DC voltage is switched by the inverter and output to the load 5. A voltage is generated. As a result, the required power is supplied to the load 5 even during a momentary drop, and the instantaneous voltage drop is compensated.
Note that the gate of each power semiconductor element is appropriately controlled by a control unit (not shown).

瞬低が発生していない通常運転時に、この瞬時電圧低下補償装置1’を商用電源4に接続すると、商用電源4と負荷5は、突入電流を制限する観点から抵抗Rおよびパワー半導体素子Qを介して接続される。その後、パワー半導体素子QがOFFされるとともにパワー半導体素子QがONされ、商用電源4と負荷5はパワー半導体素子Qを介して接続される。したがって、通常運転時に抵抗Rで電力損失が発生することはない。また、商用電源4と負荷5とが接続されると、補償用コンデンサCの充電が開始される。充電は、還流用ダイオードD〜D、パワー半導体素子Q、および抵抗Rを介して行われる。補償用コンデンサCが所定の電圧まで充電されると、パワー半導体素子QがOFFされる。その後、パワー半導体素子Qは、漏れ電流により補償用コンデンサCの充電電圧が低下したときのみONされ、充電電圧が一定に保たれる。 Usually during operation sag is not generated, by connecting this instantaneous voltage drop compensating device 1 'to a commercial power source 4, a load 5 is the commercial power source 4, the resistance from the viewpoint of limiting the inrush current R 2 and the power semiconductor device Q 6 is connected. Thereafter, the power semiconductor element Q 6 is ON the power semiconductor device Q 5 together are turned OFF, the load and the commercial power supply 4 5 are connected via the power semiconductor element Q 5. Therefore, the power loss is not generated in the resistor R 2 at the time of normal operation. When the commercial power supply 4 and the load 5 are connected, charging of the compensation capacitor C is started. Charging is performed via the freewheeling diodes D 1 to D 4 , the power semiconductor element Q 7 , and the resistor R 1 . The compensation capacitor C is charged to a predetermined voltage, the power semiconductor element Q 7 is OFF. Thereafter, the power semiconductor element Q 7, the charging voltage of the compensation capacitor C is ON only when lowered by leakage current, the charging voltage is kept constant.

一方、瞬低が発生すると、直ちにパワー半導体素子QがOFFされ、商用電源4と負荷5は切り離される。これとともに、補償用コンデンサCの充電電圧の昇圧が開始され、さらに、昇圧によって得られた直流電圧がインバータでスイッチングされ、負荷5に交流電圧が出力される。
そして、商用電源4が瞬低状態から復帰すると、パワー半導体素子QがONして商用電源4と負荷5が接続されるとともに、補償電圧生成回路3における昇圧およびスイッチングが停止される。
On the other hand, when the instantaneous drop occurs, it is OFF the power semiconductor device Q 5 immediately, a load 5 is the commercial power source 4 is disconnected. At the same time, boosting of the charging voltage of the compensation capacitor C is started, and the DC voltage obtained by boosting is switched by the inverter, and the AC voltage is output to the load 5.
When the commercial power source 4 returns from the voltage sag condition, is connected the load 5 and the commercial power source 4 is turned ON the power semiconductor device Q 5, the step-up and switching in the compensation voltage generating circuit 3 is stopped.

図7に示すように、瞬時電圧低下補償装置1’に備えられるパワー半導体素子としては、通常、取り扱いが容易なディスクリート型の部品が使用される。
ここで、パワー半導体素子Qを安全に動作させるためには、動作時の温度が接合温度を超えないように効率良く放熱を行う必要がある。このため、通常、パワー半導体素子Qにはサーマルコンパウンドを挟んでヒートシンクHが備えられ、そのフィン部がファンで通風されて冷却される。一方で、数百VA〜数kVAの比較的小電力規模の瞬時電圧低下補償装置では、設置場所やコストの観点から、ファンを使用しない自然放熱でも十分に放熱が行えるように設計することもあり、この場合には比較的大形のヒートシンクが必要となる。
As shown in FIG. 7, as the power semiconductor element provided in the instantaneous voltage drop compensator 1 ′, a discrete component that is easy to handle is usually used.
Here, in order to operate the power semiconductor element Q safely, it is necessary to efficiently dissipate heat so that the operating temperature does not exceed the junction temperature. For this reason, the power semiconductor element Q is usually provided with a heat sink H with a thermal compound in between, and the fin portion is ventilated by a fan and cooled. On the other hand, an instantaneous voltage drop compensator with a relatively small power scale of several hundred VA to several kVA may be designed so that it can sufficiently dissipate natural heat without using a fan from the viewpoint of installation location and cost. In this case, a relatively large heat sink is required.

また、パワー半導体素子Qは、コレクタと同電位を有する活性電極Aを有しており、この活性電極AにおいてヒートシンクHと接触するようになっている。したがって、コレクタ電位が異なる複数のパワー半導体素子Qを、1つのヒートシンクHに直接取り付けて冷却することはできない。   The power semiconductor element Q has an active electrode A having the same potential as the collector, and the active electrode A is in contact with the heat sink H. Therefore, a plurality of power semiconductor elements Q having different collector potentials cannot be directly attached to one heat sink H for cooling.

以上のことから、従来の瞬時電圧低下補償装置1’は、一般には図8のように構成される。すなわち、系統切替スイッチ回路2のパワー半導体素子Qは基板6の裏面側に備えられ、大形のヒートシンクHで放熱される。また、インバータを構成するパワー半導体素子Q〜Qは基板6の表面側に備えられ、それぞれヒートシンクH〜Hで放熱される。また、基板6は、四隅に設けられたスペーサ7を介してヒートシンクHに取り付けられ、これによりパワー半導体素子Qを配置するための空間が確保されている。
なお、図8では、発熱が比較的大きいパワー半導体素子Q〜Qのみを表示し、図1に示す他のパワー半導体素子等や補償用コンデンサC等は省略している。
特開2008−54468号公報
From the above, the conventional instantaneous voltage drop compensator 1 ′ is generally configured as shown in FIG. That is, the power semiconductor device Q 5 strains switching circuit 2 is provided on the back surface side of the substrate 6, is radiated in large heat sink H 5. The power semiconductor elements Q 1 to Q 4 constituting the inverter are provided on the surface side of the substrate 6 and radiated by the heat sinks H 1 to H 4 , respectively. Further, the substrate 6 is attached to the heat sink H 5 via a spacer 7 provided at the four corners, thereby a space for arranging the power semiconductor device Q 5 is ensured.
In FIG. 8, only the power semiconductor elements Q 1 to Q 5 that generate a relatively large amount of heat are displayed, and the other power semiconductor elements and the compensation capacitor C shown in FIG. 1 are omitted.
JP 2008-54468 A

しかしながら、従来の瞬時電圧低下補償装置1’は、以下に示す2つの問題点を有していた。   However, the conventional instantaneous voltage drop compensator 1 ′ has the following two problems.

[第1の問題点]
上記したように、図1に示す瞬時電圧低下補償装置1’は複数のパワー半導体素子Q〜Qを備えているが、その全てが同時に使用されることはない。例えば、系統切替スイッチ回路2におけるパワー半導体素子Q、Qは、通常運転時にいずれか一方のみがONして商用電源4と負荷5が接続される。また、系統切替スイッチ回路2のパワー半導体素子Q、Qが通常運転時にONするのに対して、補償電圧生成回路3のパワー半導体素子Q〜Qは瞬低時にのみONする。
[First problem]
As described above, the instantaneous voltage drop compensator 1 ′ shown in FIG. 1 includes the plurality of power semiconductor elements Q 1 to Q 8 , but not all of them are used at the same time. For example, only one of the power semiconductor elements Q 5 and Q 6 in the system changeover switch circuit 2 is turned on during normal operation, and the commercial power supply 4 and the load 5 are connected. Further, while the power semiconductor elements Q 5 and Q 6 of the system changeover switch circuit 2 are turned on during normal operation, the power semiconductor elements Q 1 to Q 4 of the compensation voltage generation circuit 3 are turned on only at the time of a momentary drop.

したがって、通常運転時には、パワー半導体素子Qを冷却するためのヒートシンクHのみが機能し、発熱しない(駆動されない)パワー半導体素子Q〜Qに備えられたヒートシンクH〜Hは放熱にはほとんど寄与しない。反対に、瞬低時においては、ヒートシンクH〜Hがパワー半導体素子Q〜Qの放熱を行い、発熱しないパワー半導体素子Qに備えられたヒートシンクHは放熱にはほとんど寄与しない。 Accordingly, during normal operation, only the heat sink H 5 for cooling the power semiconductor element Q 5 functions and the heat sinks H 1 to H 4 provided in the power semiconductor elements Q 1 to Q 4 that do not generate heat (is not driven) radiate heat. Hardly contributes. On the contrary, at the time of a sag, the heat sinks H 1 to H 4 radiate the power semiconductor elements Q 1 to Q 4 , and the heat sink H 5 provided in the power semiconductor element Q 5 that does not generate heat hardly contributes to the heat dissipation. .

つまり、図8に示す従来の瞬時電圧低下補償装置1’は、パワー半導体素子ごとにヒートシンクを備えているが、全てのヒートシンクが同時に放熱に寄与することはなく、ヒートシンクを有効に利用できている状況にはなかった。   That is, the conventional instantaneous voltage drop compensator 1 ′ shown in FIG. 8 includes a heat sink for each power semiconductor element, but all the heat sinks do not contribute to heat dissipation at the same time, and the heat sink can be used effectively. There was no situation.

[第2の問題点]
また、図8に示す従来の瞬時電圧低下補償装置1’では、上記したように、基板6とシートシンクHとの間に空間を設ける必要があった。さらに、他の機器の中に瞬時電圧低下補償装置1’を組み込む場合には、ヒートシンクHが装置の外装ケースを兼用することになるが、ヒートシンクHを外装ケースの一部とする場合は、必要以上にヒートシンクHが大形化していた。これらは、いずれも瞬時電圧低下補償装置1’の大形化を招き、他の機器に組み込んで使用する際の妨げとなっていた。
[Second problem]
Further, in the conventional instantaneous voltage drop compensating device 1 'shown in FIG. 8, as described above, it is necessary to provide a space between the substrate 6 and the heatsink H 5. Further, when the instantaneous voltage drop compensator 1 ′ is incorporated in another device, the heat sink H 5 also serves as an outer case of the device, but when the heat sink H 5 is a part of the outer case. , heat sink H 5 had been large in size to more than necessary. All of these have led to an increase in the size of the instantaneous voltage drop compensator 1 ', which has been an obstacle to the use by incorporating it into other devices.

そこで本発明は、ヒートシンクを有効利用するとともに、小形・軽量化が図れ、他の機器への組み込みが容易な瞬時電圧低下補償装置を提供することを課題とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an instantaneous voltage drop compensation device that can effectively use a heat sink, can be reduced in size and weight, and can be easily incorporated into other devices.

上記課題を解決するために、本発明に係る瞬時電圧低下補償装置は、少なくとも1つの第1パワー半導体素子を有し、通常運転時に商用電源と負荷とを接続して前記商用電源の電力を前記第1パワー半導体素子を介して前記負荷に供給するとともに、瞬時電圧低下時に前記商用電源から前記負荷への電力供給を遮断する系統切替スイッチ回路と、電力を蓄積する蓄電部および複数の第2パワー半導体素子を有し、瞬時電圧低下時に、前記複数の第2パワー半導体素子を用いて前記蓄電部に蓄積されている電力から補償電圧を生成して前記負荷に供給する補償電圧生成回路と、を備えた瞬時電圧低下補償装置において、前記第1および前記第2パワー半導体素子に対して共通に設けられ、前記第1および前記第2パワー半導体素子の両方が一方主面側に搭載された金属プレートと、前記第1および前記第2パワー半導体素子ごとに互いに分離して設けられ、各パワー半導体素子に接合された複数のヒートスプレッダと、前記ヒートスプレッダの各々と前記金属プレートとの間に介装された絶縁層と、前記金属プレートの他方主面に当接して設けられたヒートシンクとを備えたことを特徴とする。   In order to solve the above problems, an instantaneous voltage drop compensator according to the present invention has at least one first power semiconductor element, and connects a commercial power source and a load during normal operation to supply the power of the commercial power source to the power source. A system changeover switch circuit that supplies power to the load via a first power semiconductor element and interrupts power supply from the commercial power source to the load when an instantaneous voltage drops, a power storage unit that stores power, and a plurality of second powers A compensation voltage generating circuit that has a semiconductor element and generates a compensation voltage from the electric power stored in the power storage unit using the plurality of second power semiconductor elements when an instantaneous voltage drop occurs and supplies the compensation voltage to the load; In the instantaneous voltage drop compensator provided, the first and second power semiconductor elements are provided in common, and both the first and second power semiconductor elements are one of them. A metal plate mounted on the surface side; a plurality of heat spreaders provided separately from each other for each of the first and second power semiconductor elements; and joined to each power semiconductor element; and each of the heat spreaders and the metal plate And an insulating layer interposed therebetween, and a heat sink provided in contact with the other main surface of the metal plate.

この構成によれば、第1パワー半導体素子は通常運転時にのみ駆動される一方、第2パワー半導体素子は瞬低時にのみ駆動される。つまり、これら第1パワー半導体素子と第2パワー半導体素子とは同時に駆動されることがない。このため、通常運転時には瞬低時における過渡的な発熱を考慮することなく、定常的な発熱のみを考慮すればよく、単一のヒートシンクにより放熱させることによって、ヒートシンクを有効に利用することが可能となっている。
ここで、第1および第2パワー半導体素子のうち、互いに異なる電位を出力するパワー半導体素子が存在する場合には、これらのパワー半導体素子の間で互いに通電状態となるのを回避するため、互いに異なる電位を出力するパワー半導体素子ごとに、ヒートシンクに当接して設けられた金属プレート(第1および第2パワー半導体素子に対して共通に設けられた金属プレート)に対して絶縁する必要がある。そこで、この発明では、各パワー半導体素子と金属プレートとの間に絶縁層を設けている。
他方、このように絶縁層を設けると、当該絶縁層にて熱抵抗が大きくなり(熱伝導率が悪化し)、瞬低時に発生する過渡熱を良好に放熱させることが困難となってしまう。そこで、この発明では、パワー半導体素子ごとに互いに分離して設けられた複数のヒートスプレッダを各パワー半導体素子に接合させて、このヒートスプレッダと金属プレートとの間に絶縁層を介装させている。
これにより、パワー半導体素子の過渡的な発熱については、パワー半導体素子の各々に接合されるヒートスプレッダで面内方向に拡散させ、パワー半導体素子の急激な温度上昇を抑制することができる。さらに、ヒートスプレッダで面内方向に拡散した熱は、金属プレートを介して配置されたヒートシンクで放熱されるので、パワー半導体素子の温度上昇による最高到達温度を低下させることができる。
According to this configuration, the first power semiconductor element is driven only during normal operation, while the second power semiconductor element is driven only during a sag. That is, the first power semiconductor element and the second power semiconductor element are not driven simultaneously. For this reason, during normal operation, it is only necessary to consider steady heat generation without considering transient heat generation at the time of a sag, and it is possible to effectively use the heat sink by dissipating heat with a single heat sink. It has become.
Here, in the case where there are power semiconductor elements that output different potentials from among the first and second power semiconductor elements, in order to avoid mutual conduction between these power semiconductor elements, For each power semiconductor element that outputs different potentials, it is necessary to insulate against a metal plate provided in contact with the heat sink (a metal plate provided in common to the first and second power semiconductor elements). Therefore, in the present invention, an insulating layer is provided between each power semiconductor element and the metal plate.
On the other hand, when the insulating layer is provided in this manner, the thermal resistance increases in the insulating layer (the thermal conductivity is deteriorated), and it becomes difficult to dissipate the transient heat generated at the time of instantaneous drop well. Therefore, in the present invention, a plurality of heat spreaders provided separately for each power semiconductor element are joined to each power semiconductor element, and an insulating layer is interposed between the heat spreader and the metal plate.
Thereby, the transient heat generation of the power semiconductor element can be diffused in the in-plane direction by the heat spreader bonded to each of the power semiconductor elements, and a rapid temperature rise of the power semiconductor element can be suppressed. Furthermore, since the heat diffused in the in-plane direction by the heat spreader is dissipated by the heat sink disposed via the metal plate, the maximum temperature achieved by the temperature increase of the power semiconductor element can be lowered.

また、この構成によれば、出力される電位や発熱時期が異なる複数のパワー半導体素子の放熱を1つのヒートシンクで行うことが可能となっている。このため、小形かつ軽量化を図り、他の機器への組み込みが容易な瞬時電圧低下補償装置を実現することができる。   Further, according to this configuration, it is possible to radiate heat from a plurality of power semiconductor elements having different output potentials and different heat generation timings with a single heat sink. Therefore, it is possible to realize an instantaneous voltage drop compensator that is small and light in weight and can be easily incorporated into other devices.

ここで、前記ヒートスプレッダの各々は、厚さが1mm以上の銅板により構成することが好ましく、銅板の吸熱効果によって好適にパワー半導体素子で発生した熱を拡散させることができる。
この構成によれば、瞬低時に発生する過渡熱を速やかに吸収してパワー半導体素子の温度上昇を効果的に抑制することができる。
Here, each of the heat spreaders is preferably composed of a copper plate having a thickness of 1 mm or more, and heat generated in the power semiconductor element can be suitably diffused by the endothermic effect of the copper plate.
According to this configuration, it is possible to quickly absorb the transient heat generated at the time of a sag and effectively suppress the temperature rise of the power semiconductor element.

また、異なる電位を出力するパワー半導体素子ごとに、前記複数のヒートスプレッダの各々と前記絶縁層との間に互いに分離して設けられ、各ヒートスプレッダと前記絶縁層とを接合する接合層をさらに備えるように構成してもよい。
この構成によれば、ヒートスプレッダと絶縁層とを接合することが困難な場合であっても、接合層を介してヒートスプレッダと絶縁層とが接合されることで、熱を、ヒートスプレッダから金属プレートおよびヒートシンクに効率良く伝導することができる。
Each of the power semiconductor elements that output different potentials may further include a bonding layer that is provided separately between each of the plurality of heat spreaders and the insulating layer, and bonds each heat spreader to the insulating layer. You may comprise.
According to this configuration, even when it is difficult to join the heat spreader and the insulating layer, the heat spreader and the insulating layer are joined via the joining layer, so that heat can be transferred from the heat spreader to the metal plate and the heat sink. Can be conducted efficiently.

前記ヒートシンクの、前記金属プレートの他方主面に当接する当接面は、前記金属プレートの他方主面と同等以上の平面サイズを有していることが好ましい。
この構成によれば、金属プレートとヒートシンクとの間の熱抵抗を小さくし、熱を、金属プレートからヒートシンクに効率良く伝導することができる。
It is preferable that the contact surface of the heat sink that contacts the other main surface of the metal plate has a plane size equal to or larger than the other main surface of the metal plate.
According to this configuration, the thermal resistance between the metal plate and the heat sink can be reduced, and heat can be efficiently conducted from the metal plate to the heat sink.

また、前記金属プレートの端部に係合し、前記第1および第2パワー半導体素子、前記ヒートスプレッダおよび前記絶縁層を開口部に収容する中空状のケースをさらに設けてもよい。
この構成によれば、系統切替スイッチ回路、および蓄電部を除く補償電圧生成回路を構成する各部材、つまり第1および前記第2パワー半導体素子、ヒートスプレッダおよび絶縁層がケース内に収容されることになり、瞬時電圧低下補償装置をコンパクトに構成し、他の機器へ容易に組み込むことができる。
Further, a hollow case that engages with an end of the metal plate and accommodates the first and second power semiconductor elements, the heat spreader, and the insulating layer in an opening may be further provided.
According to this configuration, the members constituting the compensation voltage generation circuit excluding the system changeover switch circuit and the power storage unit, that is, the first and second power semiconductor elements, the heat spreader, and the insulating layer are accommodated in the case. Thus, the instantaneous voltage drop compensator can be configured compactly and easily incorporated into other devices.

また、系統切替スイッチ回路および補償電圧生成回路とを同一基板に設け、パワーモジュール(第1および第2パワー半導体素子、金属プレート、ヒートスプレッダ、絶縁層およびヒートシンクを一体化することにより構成)と補償電圧を生成するための電力を蓄積する補償用コンデンサとが基板の同一面側に搭載されるように構成してもよい。
この構成によれば、パワーモジュールと補償用コンデンサとを基板の一方面側にまとめて配置することで、基板の他方面側を非搭載面にすることができ、瞬時電圧低下補償装置の小形・軽量化を図る上で有効である。
Further, the system changeover switch circuit and the compensation voltage generation circuit are provided on the same substrate, and the power module (configured by integrating the first and second power semiconductor elements, the metal plate, the heat spreader, the insulating layer, and the heat sink) and the compensation voltage. The compensation capacitor for storing the power for generating the power may be mounted on the same side of the substrate.
According to this configuration, by arranging the power module and the compensation capacitor together on one side of the substrate, the other side of the substrate can be made a non-mounting surface. This is effective in reducing weight.

また、基板の法線方向において、パワーモジュールの高さは補償用コンデンサの高さ以下となるように形成することが好ましい。
この構成によれば、補償用コンデンサが搭載される基板領域以外の基板領域上の空間(基板搭載面から補償用コンデンサの高さ以下までに形成される基板領域上の空間)にパワーモジュールを収容することができ、瞬時電圧低下補償装置のさらなる小形化を図ることができる。すなわち、このような空間は他の機器に組み込む際にデットスペースになることが多いが、当該空間にパワーモジュールを収容することで、スペースを有効に活用して、瞬時電圧低下補償装置のさらなる小形化を図ることができる。
Further, it is preferable to form the power module so that the height of the power module is equal to or less than the height of the compensation capacitor in the normal direction of the substrate.
According to this configuration, the power module is accommodated in a space on the substrate region other than the substrate region on which the compensation capacitor is mounted (a space on the substrate region formed from the substrate mounting surface to the height of the compensation capacitor or less). Thus, the instantaneous voltage drop compensator can be further miniaturized. That is, such a space often becomes a dead space when incorporated in other equipment, but by accommodating the power module in the space, the space can be effectively used to further reduce the instantaneous voltage drop compensation device. Can be achieved.

本発明によれば、ヒートシンクを有効利用するとともに、小形・軽量化が図れ、他の機器への組み込みが容易な瞬時電圧低下補償装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an instantaneous voltage drop compensator that can effectively use a heat sink, can be reduced in size and weight, and can be easily incorporated into other devices.

以下、添付図面を参照して、本発明に係る瞬時電圧低下補償装置の好ましい実施形態について説明する。   A preferred embodiment of an instantaneous voltage drop compensator according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

図1に、本発明に係る瞬時電圧低下補償装置の回路図を示す。瞬時電圧低下補償装置1は常時商用給電式であり、系統切替スイッチ回路2と補償電圧生成回路3とを備える。
このうち、系統切替スイッチ回路2は、少なくとも1つの第1パワー半導体素子Q、Qを備え、商用電源4と負荷5を接続して商用電源4の電力を第1パワー半導体素子Q、Qを介して負荷5に常時供給するとともに、瞬低発生時に商用電源4と負荷5とを切り離し、商用電源4からの電力供給を遮断する。
また、補償電圧生成回路3は、複数の第2パワー半導体素子Q〜Qと、瞬低を補償するための電力を蓄積する補償用コンデンサC(「蓄電部」に相当)とを備え、瞬低発生時に補償用コンデンサCに蓄積されていた電力を複数の第2パワー半導体素子Q〜Qを用いて交流電力に変換して負荷に供給する。
なお、本発明に係る瞬時電圧低下補償装置1と従来の瞬時電圧低下補償装置1’は、回路構成自体は同一なので、ここでは本発明に係る瞬時電圧低下補償装置1の具体的な回路構成および動作についての説明を省略する。
FIG. 1 shows a circuit diagram of an instantaneous voltage drop compensator according to the present invention. The instantaneous voltage drop compensator 1 is always a commercial power supply type, and includes a system changeover switch circuit 2 and a compensation voltage generation circuit 3.
Among these, the system changeover switch circuit 2 includes at least one first power semiconductor element Q 5 , Q 6 , and connects the commercial power supply 4 and the load 5 to supply the power of the commercial power supply 4 to the first power semiconductor element Q 5 , supplies all times to the load 5 through Q 6, disconnect the commercial power source 4 and a load 5 in instantaneous drop occurs during, interrupting the power supply from the commercial power source 4.
The compensation voltage generation circuit 3 includes a plurality of second power semiconductor elements Q 1 to Q 4 and a compensation capacitor C (corresponding to “power storage unit”) that accumulates electric power for compensating for a sag. The electric power stored in the compensation capacitor C when a voltage sag occurs is converted into AC power using a plurality of second power semiconductor elements Q 1 to Q 4 and supplied to the load.
Since the instantaneous voltage drop compensator 1 according to the present invention and the conventional instantaneous voltage drop compensator 1 ′ have the same circuit configuration, the specific circuit configuration of the instantaneous voltage drop compensator 1 according to the present invention and A description of the operation is omitted.

図2は、本発明に係る瞬時電圧低下補償装置1の外観斜視図である。瞬時電圧低下補償装置1は、基板6と、該基板6上に搭載されたパワーモジュール10と、電解コンデンサ、電気二重層コンデンサ、電気化学キャパシタ等の補償用コンデンサCとを備える。すなわち、系統切替スイッチ回路2と補償電圧生成回路3とが同一基板に設けられている。パワーモジュール10および補償用コンデンサCは、いずれも基板6の一方面(表面)6a側に配置される。一方、基板6の他方面(裏面)6b側には、従来装置(図8参照)におけるヒートシンクH等の大形の部品は配置されない。また、パワーモジュール10の高さ(基板6の法線方向の寸法)は、補償用コンデンサCに対して同等以下(この実施形態では補償用コンデンサCに対して低背)に構成されている。このため、瞬時電圧低下補償装置1の小形化が図れ、他の機器への取り付けや組み込みが容易となっている。 FIG. 2 is an external perspective view of the instantaneous voltage drop compensator 1 according to the present invention. The instantaneous voltage drop compensation device 1 includes a substrate 6, a power module 10 mounted on the substrate 6, and a compensation capacitor C such as an electrolytic capacitor, an electric double layer capacitor, and an electrochemical capacitor. That is, the system changeover switch circuit 2 and the compensation voltage generation circuit 3 are provided on the same substrate. The power module 10 and the compensation capacitor C are both disposed on the one surface (front surface) 6 a side of the substrate 6. On the other hand, the other surface (back surface) 6b side of the substrate 6, the conventional apparatus large part of the heat sink H 5 and the like in (see FIG. 8) is not arranged. Further, the height of the power module 10 (the dimension in the normal direction of the substrate 6) is equal to or less than that of the compensation capacitor C (in this embodiment, the height is lower than that of the compensation capacitor C). For this reason, the instantaneous voltage drop compensator 1 can be reduced in size, and can be easily attached to and incorporated in other devices.

図3に示すように、パワーモジュール10は、中空かつ角形状のケース11と、ケース11の開口部に嵌め込まれた金属プレート13と、金属プレート13の表面(他方主面)13b側に当接するヒートシンクHを備える。ケース11は金属プレート13の端部に係合し、系統切替スイッチ回路2、および補償用コンデンサCを除く補償電圧生成回路3を構成する各部材(第1パワー半導体素子Q、Qおよび第2パワー半導体素子Q〜Qの他、後述するヒートスプレッダ、絶縁層等)を開口部に収容する。ここで、瞬時電圧低下補償装置の小形化および放熱効率を両立させる観点から、ヒートシンクHはケース11と略同一の平面サイズを有する単一のブロック体で構成されている。ケース11とヒートシンクHは適当にネジ固定される。ケース11の下部には、パワーモジュール10と基板6とを電気的に接続するための複数の外部端子(電極端子)12が備えられる。ケース11は絶縁性の樹脂からなり、金属プレート13およびヒートシンクHは熱伝導率が高い銅またはアルミニウムからなる。 As shown in FIG. 3, the power module 10 abuts against a hollow and square case 11, a metal plate 13 fitted in the opening of the case 11, and a surface (the other main surface) 13 b side of the metal plate 13. A heat sink H is provided. The case 11 is engaged with the end of the metal plate 13 and each member (the first power semiconductor elements Q 5 , Q 6 and the first power semiconductor elements Q 5 and Q 6) constituting the compensation voltage generation circuit 3 excluding the system changeover switch circuit 2 and the compensation capacitor C. In addition to the two-power semiconductor elements Q 1 to Q 4 , a heat spreader, an insulating layer, etc. described later) are accommodated in the opening. Here, the heat sink H is composed of a single block body having substantially the same plane size as the case 11 from the viewpoint of achieving both the reduction in the instantaneous voltage drop compensator and the heat radiation efficiency. The case 11 and the heat sink H are appropriately screwed. Below the case 11, a plurality of external terminals (electrode terminals) 12 for electrically connecting the power module 10 and the substrate 6 are provided. The case 11 is made of an insulating resin, and the metal plate 13 and the heat sink H are made of copper or aluminum having a high thermal conductivity.

この実施形態では、第1パワー半導体素子Q、Qは通常運転時にのみ駆動される一方、第2パワー半導体素子Q〜Qは瞬低時にのみ駆動される。つまり、これら第1パワー半導体素子と第2パワー半導体素子とは同時に駆動されることがない。このため、通常運転時には瞬低時における過渡的な発熱を考慮することなく、定常的な発熱のみを考慮すればよく、上記のように単一のヒートシンクHにより放熱させることによって、ヒートシンクを有効に利用することが可能となっている。 In this embodiment, the first power semiconductor elements Q 5 and Q 6 are driven only during normal operation, while the second power semiconductor elements Q 1 to Q 4 are driven only during a momentary drop. That is, the first power semiconductor element and the second power semiconductor element are not driven simultaneously. For this reason, during normal operation, it is sufficient to consider only the steady heat generation without considering the transient heat generation at the time of a sag, and the heat sink is made effective by dissipating heat with the single heat sink H as described above. It can be used.

図4(A)は、図3に示すケース11と金属プレート13を上下反転させた状態の斜視図であり、図4(B)は図4(A)の分解斜視図である。金属プレート13の裏面(一方主面)13a側、すなわち基板6に対向する対向面側には、放熱すべきチップ状の第1および第2パワー半導体素子Q〜Q等(パワー半導体素子Q〜Qについては図示せず)が搭載され、各パワー半導体素子の直下(各パワー半導体素子と金属プレートとの間)に、各パワー半導体素子に対応して、ヒートスプレッダHS1〜HSが接合される。すなわち、第1パワー半導体素子Qおよび第2パワー半導体素子Q〜Qに対して共通に金属プレート13が設けられる一方、複数のヒートスプレッダHS〜HSがパワー半導体素子ごとに互いに分離して設けられている。 4A is a perspective view of the case 11 and the metal plate 13 shown in FIG. 3 that are vertically inverted, and FIG. 4B is an exploded perspective view of FIG. 4A. On the back surface (one main surface) 13a side of the metal plate 13, that is, on the opposite surface side facing the substrate 6, chip-shaped first and second power semiconductor elements Q 1 to Q 5 to be radiated, etc. (power semiconductor element Q 6 to Q 8 are mounted, and heat spreaders HS 1 to HS 5 are provided directly below each power semiconductor element (between each power semiconductor element and the metal plate) corresponding to each power semiconductor element. Be joined. That is, while the metal plate 13 is provided in common to the first power semiconductor device Q 5 and the second power semiconductor elements Q 1 to Q 4, a plurality of heat spreader HS 1 ~HS 5 are separated from each other for each power semiconductor element Is provided.

図4(B)の線X−Xにおける断面図を図5に示す。金属プレート13は、ケース11の開口部に設けられた段差を利用してケース11に対して位置決めされる。また、ヒートシンクHは金属プレート13の表面13bのみに当接し、ケース11とは接しない。ヒートシンクHの、金属プレート13の表面13bに当接する当接面(フィンが突出される側に対して反対側の面)は、平面サイズが金属プレート13の表面13bに対して同等以上に構成されているので、金属プレート13とヒートシンクHとの間の熱抵抗を小さくし、金属プレート13からの熱をヒートシンクHに効率良く伝搬させることができる。   A cross-sectional view taken along line XX in FIG. 4B is shown in FIG. The metal plate 13 is positioned with respect to the case 11 using a step provided at the opening of the case 11. In addition, the heat sink H contacts only the surface 13 b of the metal plate 13 and does not contact the case 11. The abutment surface of the heat sink H that abuts against the surface 13b of the metal plate 13 (the surface opposite to the side from which the fins protrude) has a planar size that is equal to or greater than that of the surface 13b of the metal plate 13. Therefore, the thermal resistance between the metal plate 13 and the heat sink H can be reduced, and the heat from the metal plate 13 can be efficiently propagated to the heat sink H.

金属プレート13に対する各パワー半導体素子Q〜Q等の搭載に係る構成は同一であるため、ここでは、パワー半導体素子Qに着目して図5を参照しつつ説明する。パワー半導体素子Qは、半田層16を介してヒートスプレッダHSに接合される。また、パワー半導体素子Qのコレクタ−エミッタ間に接続されるダイオードDも、半田層16を介してヒートスプレッダHSに接合される。ヒートスプレッダHSは、好ましくは、厚さが1mm以上の銅板からなり、銅板の吸熱効果によってパワー半導体素子QおよびダイオードDの発熱を面内方向に素早く拡散させることができする。これにより、瞬低時にパワー半導体素子QおよびダイオードDが駆動されることにより発生する過渡的な発熱を速やかに吸収してパワー半導体素子Qの温度上昇を効果的に抑制することができる。 Since the configuration related to the mounting of the power semiconductor elements Q 1 to Q 5 and the like on the metal plate 13 is the same, here, the power semiconductor element Q 1 will be described with reference to FIG. The power semiconductor element Q 1 is bonded to the heat spreader HS 1 via the solder layer 16. A diode D 1 connected between the collector and emitter of the power semiconductor element Q 1 is also joined to the heat spreader HS 1 via the solder layer 16. The heat spreader HS 1 is preferably made of a copper plate having a thickness of 1 mm or more, and heat generated by the power semiconductor element Q 1 and the diode D 1 can be quickly diffused in the in-plane direction by the heat absorption effect of the copper plate. Thus, it is possible to effectively suppress the temperature rise of the power semiconductor element Q 1 to rapidly absorb transient heat generated by the power semiconductor device Q 1 and diode D 1 is driven when an instantaneous drop .

ヒートスプレッダHSは、半田層17を介してパターン層15に接合される。また、パターン層15は絶縁層14に接合され、さらに絶縁層14は金属プレート13の裏面側に接合される。また、パターン層15には、ケース11に一体形成された外部端子12と電気的に接続するためにアルミニウム等からなるワイヤがボンディングされている。なお、外部端子12との接続は、パターン層15にワイヤをボンディング接続する場合に限らず、ヒートスプレッダHSにワイヤをボンディング接続してもよい。 The heat spreader HS 1 is bonded to the pattern layer 15 via the solder layer 17. The pattern layer 15 is bonded to the insulating layer 14, and the insulating layer 14 is bonded to the back surface side of the metal plate 13. Further, a wire made of aluminum or the like is bonded to the pattern layer 15 so as to be electrically connected to the external terminal 12 formed integrally with the case 11. The connection with the external terminal 12 is not limited to the case where a wire is bonded to the pattern layer 15, and the wire may be bonded to the heat spreader HS 1 .

パターン層15は、ヒートスプレッダHS〜HSと絶縁層14を良好に接合する観点から設けられている。すなわち、パターン層15は、複数のヒートスプレッダHS〜HSの各々と絶縁層14との間に互いに分離して設けられ、各ヒートスプレッダと絶縁層14を接合する接合層として機能している。このようなパターン層15を設けることで、熱を、ヒートスプレッダHS〜HSから金属プレート13に効率良く伝達することができる。なお、この実施形態におけるパターン層15は、接合層としての機能の他、各パワー半導体素子Q〜Q等の素子間を電気的に接続するための配線層としての機能を有している。パターン層15は、ヒートスプレッダHS〜HSごとに設ける場合にかぎらず、パワー半導体素子Q〜Qのうち互いに異なる電位を出力するパワー半導体素子ごとに、複数のヒートスプレッダHS〜HSの各々と絶縁層14との間に互いに分離して設けられていればよい。 The pattern layer 15 is provided from the viewpoint of satisfactorily bonding the heat spreaders HS 1 to HS 5 and the insulating layer 14. That is, the pattern layer 15 is provided separately between each of the plurality of heat spreaders HS 1 to HS 5 and the insulating layer 14, and functions as a bonding layer that bonds each heat spreader and the insulating layer 14. By providing such a pattern layer 15, heat can be efficiently transferred from the heat spreaders HS 1 to HS 5 to the metal plate 13. In addition, the pattern layer 15 in this embodiment has a function as a wiring layer for electrically connecting elements such as the power semiconductor elements Q 1 to Q 5 in addition to a function as a bonding layer. . Pattern layer 15 is not limited to the case of providing each heat spreader HS 1 ~HS 5, each power semiconductor element for outputting a different potentials of the power semiconductor elements Q 1 to Q 5, a plurality of heat spreader HS 1 ~HS 5 It suffices if they are provided separately from each other and between the insulating layers 14.

パターン層15の厚みは、絶縁層14の直上の金属層(例えば銅層)の厚みに起因する以下に示す課題を解決する観点から、ヒートスプレッダ(例えば銅板)の厚みよりも小さく設定されている。すなわち、絶縁層14の直上の金属層の厚みが大きくなると、リフロー等を行う際に、その熱的影響により金属層に反りが発生し、絶縁層14と金属層との間の接着性に悪影響を及ぼしてしまう。
そこで、この実施形態では、パターン層15の厚みは、ヒートスプレッダの厚み(例えば1mm以上)に対して十分に薄く(パターンに流れる電流容量にもよるが、70〜120μm程度)設定されている。このように、ヒートスプレッダと絶縁層14との間に比較的厚みの小さなパターン層15を挿入することで、厚みの大きなヒートスプレッダで放熱性(面内方向における熱の拡散)を良好としながらも、絶縁層14の直上に厚みの大きな金属層が配置されることによる課題(絶縁層と金属層との間の接着性の劣化)を解決することができる。また、パターン層15の厚みを比較的小さく設定することで、放熱性に寄与することのない無駄な金属の使用量を低減するとともに、金属層の厚みの変動によるワイヤボンディングに伴う製造不良の発生を防止することができる。
The thickness of the pattern layer 15 is set to be smaller than the thickness of the heat spreader (for example, a copper plate) from the viewpoint of solving the following problems caused by the thickness of the metal layer (for example, the copper layer) immediately above the insulating layer 14. That is, when the thickness of the metal layer immediately above the insulating layer 14 is increased, the reflow or the like causes warpage of the metal layer due to the thermal effect, which adversely affects the adhesion between the insulating layer 14 and the metal layer. Will be affected.
Therefore, in this embodiment, the thickness of the pattern layer 15 is set sufficiently thin with respect to the thickness of the heat spreader (for example, 1 mm or more) (depending on the current capacity flowing through the pattern, about 70 to 120 μm). In this way, by inserting the pattern layer 15 having a relatively small thickness between the heat spreader and the insulating layer 14, the heat spreader having a large thickness can improve heat dissipation (heat diffusion in the in-plane direction), but can be insulated. The problem (deterioration of adhesion between the insulating layer and the metal layer) due to the arrangement of the metal layer having a large thickness immediately above the layer 14 can be solved. In addition, by setting the thickness of the pattern layer 15 to be relatively small, the amount of useless metal that does not contribute to heat dissipation is reduced, and production defects due to wire bonding due to fluctuations in the thickness of the metal layer occur. Can be prevented.

パターン層15は、通常通電時あるいは瞬低補償時に必要な電流を流せるパターン幅を確保して設計する。また、瞬時電圧低下補償装置は、AC100VあるいはAC200Vの比較的高い商用電源の補償に用いられるため、高電圧が印加される高圧側パターンと低電圧が印加される低圧側パターンとの間隔は、AC1.5KV、1分間またはAC2kV、1分間の絶縁耐圧性能を有する絶縁距離を確保することが望ましい。パターン層15と金属プレート13との間に挿入される絶縁層14は、高熱伝導性フィラーを含有したエポキシ系の絶縁樹脂を一般的に用いており、高熱伝導性が必要な場合は、フィラー充填量を約40wt%まで増やした絶縁層を用いることもできる。   The pattern layer 15 is designed with a pattern width that allows a necessary current to flow at the time of normal energization or at the time of sag compensation. Further, since the instantaneous voltage drop compensator is used for compensation of a relatively high commercial power supply of AC 100 V or AC 200 V, the interval between the high voltage side pattern to which the high voltage is applied and the low voltage side pattern to which the low voltage is applied is AC1. It is desirable to secure an insulation distance having a dielectric breakdown voltage performance of 0.5 KV, 1 minute or AC 2 kV, 1 minute. The insulating layer 14 inserted between the pattern layer 15 and the metal plate 13 generally uses an epoxy insulating resin containing a highly thermally conductive filler. If high thermal conductivity is required, the insulating layer 14 is filled with filler. An insulating layer whose amount is increased to about 40 wt% can also be used.

パターン層15と絶縁層14の金属プレートへの接着は、あらかじめシート状に形成した絶縁シートを金属プレート13と銅箔(パターン層の材料)との間に挟んで、これらを加熱・加圧処理して接着する。パターン層15は、この接着の後にパターン部を露光し、エッチング処理を行って形成する。   The adhesion of the pattern layer 15 and the insulating layer 14 to the metal plate is performed by sandwiching an insulating sheet formed in advance into a sheet shape between the metal plate 13 and the copper foil (pattern layer material), and heating / pressurizing them. And glue. The pattern layer 15 is formed by exposing the pattern portion after this adhesion and performing an etching process.

また、金属プレート13の表面13b側には大形のヒートシンクHが備えられる。これにより、ヒートスプレッダHSで面内方向に拡散した熱を、金属プレート13を介して配置されたヒートシンクHで放熱することができるので、パワー半導体素子Qの温度上昇による最高到達温度を低下させることができる。 A large heat sink H is provided on the surface 13 b side of the metal plate 13. Thus, the heat diffusion in the plane direction at the heat spreader HS 1, it is possible to heat dissipation by the heat sink H disposed through the metal plate 13, reducing the maximum temperature reached by the temperature rise of the power semiconductor device Q 1 be able to.

結局、図5に示す構成によれば、パワー半導体素子の過渡的な発熱については、ヒートスプレッダで面内方向に拡散して素早く放熱し(図6の矢印α参照)、パワー半導体素子の急激な温度上昇を抑制することができる。これにより、例えば、瞬低発生後から約0.2秒までの間の急激な温度上昇を抑制することができる。さらに、ヒートスプレッダで面内方向に拡散した熱をヒートシンクで放熱することができるので、パワー半導体素子の温度上昇による最高到達温度を低下させることができる(図6の矢印β参照)。なお、過渡的な発熱はヒートスプレッダの吸熱効果で十分拡散されるので(急激な温度上昇が抑制されるので)、絶縁層を介してヒートシンクを配置することによる熱伝導率の低下はほとんど問題にならない。   After all, according to the configuration shown in FIG. 5, the transient heat generation of the power semiconductor element is diffused in the in-plane direction by the heat spreader and quickly dissipated (see arrow α in FIG. 6). The rise can be suppressed. Thereby, for example, it is possible to suppress an abrupt increase in temperature between about 0.2 seconds after the occurrence of a sag. Furthermore, since the heat diffused in the in-plane direction by the heat spreader can be dissipated by the heat sink, the maximum temperature achieved by the temperature rise of the power semiconductor element can be lowered (see arrow β in FIG. 6). In addition, since transient heat generation is sufficiently diffused by the heat spreader's endothermic effect (since rapid temperature rise is suppressed), a decrease in thermal conductivity due to the arrangement of the heat sink through the insulating layer is hardly a problem. .

また、図5に示す構成によれば、ヒートスプレッダと金属プレートとの間に絶縁層が介装されているので、各パワー半導体素子に対して共通に設けられた金属プレートに対して、異なった電位を出力するパワー半導体素子(例えば、QとQ)同士を絶縁することができ、これらのパワー半導体素子の間で互いに通電状態となるのを回避することができる。
他方、このように絶縁層を設けると、当該絶縁層にて熱抵抗が大きくなり(熱伝導率が悪化し)、瞬低時に発生する過渡熱を良好に放熱させることが困難となることが危惧される。しかしながら、この実施形態では、上述したように、パワー半導体素子ごとに互いに分離して設けられたヒートスプレッダを各パワー半導体素子に接合させているので、瞬低時に発生する過渡熱をヒートスプレッダで吸収、拡散することができ、パワー半導体素子の急激な温度上昇を抑制することができる。
Further, according to the configuration shown in FIG. 5, since the insulating layer is interposed between the heat spreader and the metal plate, different potentials are applied to the metal plate provided in common for each power semiconductor element. Can be insulated from each other (for example, Q 1 and Q 3 ), and the power semiconductor elements can be prevented from being energized with each other.
On the other hand, if an insulating layer is provided in this way, the thermal resistance of the insulating layer increases (the thermal conductivity deteriorates), and it may be difficult to dissipate transient heat generated at the time of instantaneous drop well. It is. However, in this embodiment, as described above, the heat spreader provided separately from each other for each power semiconductor element is joined to each power semiconductor element, so that the transient heat generated at the time of instantaneous drop is absorbed and diffused by the heat spreader. And a rapid temperature rise of the power semiconductor element can be suppressed.

以上のように、この実施形態によれば、出力される電位や発熱時期が異なる複数のパワー半導体素子の放熱を1つのヒートシンクで行うことが可能となっている。このため、小形かつ軽量化を図り、他の機器への組み込みが容易な瞬時電圧低下補償装置を実現することができる。   As described above, according to this embodiment, a plurality of power semiconductor elements having different output potentials and different heat generation times can be radiated by one heat sink. Therefore, it is possible to realize an instantaneous voltage drop compensator that is small and light in weight and can be easily incorporated into other devices.

なお、従来の瞬時電圧低下補償装置でも、図9のような構成に変更し、単一のヒートシンクHを用いて放熱することが考えられる。このとき、異なる電位を出力するディスクリート型部品(パワー半導体素子)が存在する場合には、ディスクリート型部品Q〜QとヒートシンクHの間に、サーマルコンパウンドに替えて絶縁シート8を配置する必要がある。しかしながら、絶縁シート8は熱伝導率が低く、ディスクリート型部品Q〜Qの発熱を速やかにヒートシンクHに拡散し、放熱することができない。 Even in the conventional instantaneous voltage drop compensator, it is conceivable to change the configuration as shown in FIG. At this time, when there are discrete type components (power semiconductor elements) that output different potentials, it is necessary to place the insulating sheet 8 between the discrete type components Q 1 to Q 5 and the heat sink H instead of the thermal compound. There is. However, the insulating sheet 8 has a low thermal conductivity, and the heat generated by the discrete components Q 1 to Q 5 is quickly diffused to the heat sink H and cannot be dissipated.

また、このような問題を解決するために、絶縁シート8と各ディスクリート型部品Q〜Qとの間にヒートスプレッダを挿入することも考えられるが、以下に示す理由から現実的ではない。すなわち、(i)各ディスクリート型部品Q〜Q(通常、接合面は銅で形成される)とヒートスプレッダとを半田付け等で接合することが困難であり、ヒートスプレッダの固定方法に問題が生じる。また、(ii)このような固定方法の問題に関連して、各ディスクリート型部品Q〜Qとヒートスプレッダとの間、およびヒートスプレッダと絶縁シート8との間に比較的大きな熱抵抗が発生してしまい、結局、各ディスクリート型部品Q〜Qからの発熱を速やかに吸収、拡散させることができない。
以上のことから、現実的には、小形でかつ出力の大きな瞬時電圧低下補償装置を構成するという観点からは、図9のような構成を採用することができない。
In order to solve such a problem, it is conceivable to insert a heat spreader between the insulating sheet 8 and each of the discrete components Q 1 to Q 5 , but this is not realistic for the following reason. That is, (i) it is difficult to join each discrete part Q 1 to Q 5 (usually the joining surface is formed of copper) and the heat spreader by soldering or the like, and there is a problem in the fixing method of the heat spreader. . (Ii) In relation to the problem of such a fixing method, a relatively large thermal resistance is generated between each discrete component Q 1 to Q 5 and the heat spreader and between the heat spreader and the insulating sheet 8. and it will, eventually, rapidly absorb heat generated from the discrete component Q 1 to Q 5, can not be diffused.
From the above, from the viewpoint of configuring a small instantaneous voltage drop compensator with a large output, the configuration as shown in FIG. 9 cannot be adopted.

以上、本発明に係る瞬時電圧低下補償装置の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記構成に限定されるものではない。
例えば、補償電圧生成回路3は図1に示す単相インバータに限定されず、U、V、W相出力を有する三相インバータにすることもできる。
As mentioned above, although preferred embodiment of the instantaneous voltage drop compensation apparatus based on this invention was described, this invention is not limited to the said structure.
For example, the compensation voltage generation circuit 3 is not limited to the single-phase inverter shown in FIG. 1, but can be a three-phase inverter having U, V, and W phase outputs.

瞬時電圧低下補償装置の回路図である。It is a circuit diagram of an instantaneous voltage drop compensation device. 本発明に係る瞬時電圧低下補償装置の外観斜視図である。1 is an external perspective view of an instantaneous voltage drop compensation device according to the present invention. 本発明に係るパワーモジュールの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the power module which concerns on this invention. 本発明に係るケースと金属プレートであって、(A)は図3を上下反転させた状態の斜視図、(B)は(A)の分解斜視図である。It is the case and metal plate which concern on this invention, Comprising: (A) is a perspective view of the state which reversed FIG. 3 up and down, (B) is an exploded perspective view of (A). 図5(B)の線X−Xにおける断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG. 従来の瞬時電圧低下補償装置と本発明に係る瞬時電圧低下補償装置におけるパワー半導体素子の温度変化を対比したグラフである。It is the graph which contrasted the temperature change of the power semiconductor element in the conventional instantaneous voltage drop compensation apparatus and the instantaneous voltage drop compensation apparatus which concerns on this invention. 従来の瞬時電圧低下補償装置で使用されるパワー半導体素子とこれに取り付けられるヒートシンクであって、(A)は分解斜視図、(B)(C)はそれぞれパワー半導体素子とヒートシンクを取り付けた状態の正面図、側面図である。A power semiconductor element used in a conventional instantaneous voltage drop compensator and a heat sink attached thereto, wherein (A) is an exploded perspective view, and (B) and (C) are states in which the power semiconductor element and the heat sink are attached, respectively. It is a front view and a side view. 従来の瞬時電圧低下補償装置の外観斜視図である。It is an external appearance perspective view of the conventional instantaneous voltage drop compensation apparatus. 従来の他の瞬時電圧低下補償装置の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the other conventional instantaneous voltage drop compensation apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1 瞬時電圧低下補償装置
2 系統切替スイッチ回路
3 補償電圧生成回路
4 商用電源
5 負荷
6 基板
7 スペーサ
8 絶縁シート
10 パワーモジュール
11 ケース
12 外部端子
13 金属プレート
14 絶縁層
15 パターン層
16 半田層
17 半田層
C 補償用コンデンサ
D、D〜D ダイオード
H、H〜H ヒートシンク
HS〜HS ヒートスプレッダ
Q、Q〜Q パワー半導体素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Instantaneous voltage drop compensation apparatus 2 System changeover switch circuit 3 Compensation voltage generation circuit 4 Commercial power supply 5 Load 6 Substrate 7 Spacer 8 Insulation sheet 10 Power module 11 Case 12 External terminal 13 Metal plate 14 Insulation layer 15 Pattern layer 16 Solder layer 17 Solder layer C compensation capacitor D, D 1 ~D 9 diode H, H 1 ~H 5 heat sink HS 1 ~HS 5 spreader Q, Q 1 ~Q 7 power semiconductor element

Claims (7)

少なくとも1つの第1パワー半導体素子を有し、通常運転時に商用電源と負荷とを接続して前記商用電源の電力を前記第1パワー半導体素子を介して前記負荷に供給するとともに、瞬時電圧低下時に前記商用電源から前記負荷への電力供給を遮断する系統切替スイッチ回路と、
電力を蓄積する蓄電部および複数の第2パワー半導体素子を有し、瞬時電圧低下時に、前記複数の第2パワー半導体素子を用いて前記蓄電部に蓄積されている電力から補償電圧を生成して前記負荷に供給する補償電圧生成回路と、
を備えた瞬時電圧低下補償装置において、
前記第1および前記第2パワー半導体素子に対して共通に設けられ、前記第1および前記第2パワー半導体素子の両方が一方主面側に搭載された金属プレートと、
前記第1および前記第2パワー半導体素子ごとに互いに分離して設けられ、各パワー半導体素子に接合された複数のヒートスプレッダと、
前記ヒートスプレッダの各々と前記金属プレートとの間に介装された絶縁層と、
前記金属プレートの他方主面に当接して設けられたヒートシンクと、
を備えたことを特徴とする瞬時電圧低下補償装置。
Having at least one first power semiconductor element, connecting a commercial power source and a load during normal operation to supply power of the commercial power source to the load via the first power semiconductor element, and at the time of instantaneous voltage drop A system switch circuit for cutting off power supply from the commercial power source to the load;
A power storage unit that stores power and a plurality of second power semiconductor elements, and when an instantaneous voltage drop occurs, a compensation voltage is generated from the power stored in the power storage unit using the plurality of second power semiconductor elements. A compensation voltage generation circuit for supplying the load;
In the instantaneous voltage drop compensator with
A metal plate that is provided in common to the first and second power semiconductor elements, and both the first and second power semiconductor elements are mounted on one main surface side;
A plurality of heat spreaders provided separately from each other for each of the first and second power semiconductor elements, and joined to each power semiconductor element;
An insulating layer interposed between each of the heat spreaders and the metal plate;
A heat sink provided in contact with the other main surface of the metal plate;
An instantaneous voltage drop compensation device comprising:
前記ヒートスプレッダの各々は、厚さが1mm以上の銅板からなることを特徴とする請求項1に記載の瞬時電圧低下補償装置。   2. The instantaneous voltage drop compensator according to claim 1, wherein each of the heat spreaders is made of a copper plate having a thickness of 1 mm or more. 前記第1および第2パワー半導体素子のうち互いに異なる電位を出力するパワー半導体素子ごとに、前記複数のヒートスプレッダの各々と前記絶縁層との間に互いに分離して設けられ、各ヒートスプレッダと前記絶縁層を接合する接合層をさらに備えることを特徴とする請求項1または2に記載の瞬時電圧低下補償装置。   Each of the first and second power semiconductor elements that outputs different potentials is provided between each of the plurality of heat spreaders and the insulating layer, and each heat spreader and the insulating layer The instantaneous voltage drop compensation device according to claim 1, further comprising a bonding layer that bonds the two. 前記ヒートシンクの、前記金属プレートの他方主面に当接する当接面は、前記金属プレートの他方主面と同等以上の平面サイズを有していることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の瞬時電圧低下補償装置。   The contact surface of the heat sink that contacts the other main surface of the metal plate has a plane size equal to or larger than that of the other main surface of the metal plate. The instantaneous voltage drop compensator described in 1. 前記金属プレートの端部に係合し、前記第1および第2パワー半導体素子、前記ヒートスプレッダおよび前記絶縁層を開口部に収容する中空状のケースをさらに備えたことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の瞬時電圧低下補償装置。   2. A hollow case that engages with an end of the metal plate and accommodates the first and second power semiconductor elements, the heat spreader, and the insulating layer in an opening. 4. The instantaneous voltage drop compensator according to any one of 4 above. 前記系統切替スイッチ回路および前記補償電圧生成回路が同一基板に設けられ、
前記蓄電部は、前記補償電圧を生成するための電力を蓄積する補償用コンデンサを有し、
前記ケースと、該ケースに収容された前記第1および第2パワー半導体素子、前記ヒートスプレッダおよび前記絶縁層と、該ケースに係合した前記金属プレートと、該金属プレートに当接した前記ヒートシンクとが一体化されてパワーモジュールを構成し、
前記パワーモジュールと前記補償用コンデンサとが前記基板の同一面側に搭載されていることを特徴とする請求項5に記載の瞬時電圧低下補償装置。
The system switching switch circuit and the compensation voltage generation circuit are provided on the same substrate,
The power storage unit includes a compensation capacitor that stores power for generating the compensation voltage,
The case, the first and second power semiconductor elements housed in the case, the heat spreader and the insulating layer, the metal plate engaged with the case, and the heat sink abutted on the metal plate Integrated into a power module,
6. The instantaneous voltage drop compensator according to claim 5, wherein the power module and the compensation capacitor are mounted on the same side of the substrate.
前記基板の法線方向において、前記パワーモジュールの高さが前記補償用コンデンサの高さ以下に形成されていることを特徴とする請求項6に記載の瞬時電圧低下補償装置。   The instantaneous voltage drop compensator according to claim 6, wherein a height of the power module is formed to be equal to or less than a height of the compensation capacitor in a normal direction of the substrate.
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