JP2009254106A - 瞬時電圧低下補償装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】通常運転時には商用電源の電力を負荷に供給し、瞬時電圧低下時には補償用コンデンサの充電電圧から生成した電圧で負荷に電力を供給する瞬時電圧低下補償装置であって、パワー半導体素子Ｑ_１、Ｑ_３と、該パワー半導体素子Ｑ_１、Ｑ_３に対して共通に設けられ、パワー半導体素子Ｑ_１、Ｑ_３が一方主面１３ａ側に搭載された金属プレート１３と、パワー半導体素子Ｑ_１、Ｑ_３の各々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ヒートスプレッダＨＳ_１、ＨＳ_３と、各ヒートスプレッダＨＳ_１、ＨＳ_３と金属プレート１３との間に介装された絶縁層１４と、金属プレート１３の他方主面１３ｂ側に当接したヒートシンクＨとを備える。
【選択図】図５

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。

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）。

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。

具体的には、系統切替スイッチ回路２は、ダイオードＤ_６〜Ｄ_９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_５、Ｑ_６とを備える。また、パワー半導体素子Ｑ_６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_２が備えられている。この構成では、パワー半導体素子Ｑ_５、Ｑ_６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_８およびダイオードＤ_５からなる昇圧回路と、パワー半導体素子Ｑ_１〜Ｑ_４および還流用ダイオードＤ_１〜Ｄ_４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。

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_２およびパワー半導体素子Ｑ_６を介して接続される。その後、パワー半導体素子Ｑ_６がＯＦＦされるとともにパワー半導体素子Ｑ_５がＯＮされ、商用電源４と負荷５はパワー半導体素子Ｑ_５を介して接続される。したがって、通常運転時に抵抗Ｒ_２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_１〜Ｄ_４、パワー半導体素子Ｑ_７、および抵抗Ｒ_１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_７がＯＦＦされる。その後、パワー半導体素子Ｑ_７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。

一方、瞬低が発生すると、直ちにパワー半導体素子Ｑ_５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_５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。

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。

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。

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_５は基板６の裏面側に備えられ、大形のヒートシンクＨ_５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_１〜Ｑ_４は基板６の表面側に備えられ、それぞれヒートシンクＨ_１〜Ｈ_４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_５に取り付けられ、これによりパワー半導体素子Ｑ_５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_１〜Ｑ_５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

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。

［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_１〜Ｑ_８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_５、Ｑ_６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_５、Ｑ_６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_１〜Ｑ_４は瞬低時にのみＯＮする。

したがって、通常運転時には、パワー半導体素子Ｑ_５を冷却するためのヒートシンクＨ_５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_１〜Ｑ_４に備えられたヒートシンクＨ_１〜Ｈ_４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_１〜Ｈ_４がパワー半導体素子Ｑ_１〜Ｑ_４の放熱を行い、発熱しないパワー半導体素子Ｑ_５に備えられたヒートシンクＨ_５は放熱にはほとんど寄与しない。

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。

［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_５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_５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_５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_５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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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_５、Ｑ_６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_５、Ｑ_６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_１〜Ｑ_４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_１〜Ｑ_４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。

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_５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。

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_５、Ｑ_６および第２パワー半導体素子Ｑ_１〜Ｑ_４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。

この実施形態では、第１パワー半導体素子Ｑ_５、Ｑ_６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_１〜Ｑ_４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。

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_１〜Ｑ_５等（パワー半導体素子Ｑ_６〜Ｑ_８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ＨＳ_１〜ＨＳ_５が接合される。すなわち、第１パワー半導体素子Ｑ_５および第２パワー半導体素子Ｑ_１〜Ｑ_４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_１〜ＨＳ_５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。

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。

金属プレート１３に対する各パワー半導体素子Ｑ_１〜Ｑ_５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_１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_１は、半田層１６を介してヒートスプレッダＨＳ_１に接合される。また、パワー半導体素子Ｑ_１のコレクタ−エミッタ間に接続されるダイオードＤ_１も、半田層１６を介してヒートスプレッダＨＳ_１に接合される。ヒートスプレッダＨＳ_１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_１およびダイオードＤ_１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_１およびダイオードＤ_１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_１の温度上昇を効果的に抑制することができる。

ヒートスプレッダＨＳ_１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_１にワイヤをボンディング接続してもよい。

パターン層１５は、ヒートスプレッダＨＳ_１〜ＨＳ_５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_１〜ＨＳ_５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_１〜ＨＳ_５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_１〜Ｑ_５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_１〜ＨＳ_５ごとに設ける場合にかぎらず、パワー半導体素子Ｑ_１〜Ｑ_５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_１〜ＨＳ_５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。

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。

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。

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。

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_１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_１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。

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。

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_１とＱ_３）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。

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。

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_１〜Ｑ_５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_１〜Ｑ_５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。

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_１〜Ｑ_５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_１〜Ｑ_５（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_１〜Ｑ_５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_１〜Ｑ_５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。

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。

瞬時電圧低下補償装置の回路図である。 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。 本発明に係るパワーモジュールの分解斜視図である。 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。 図５（Ｂ）の線Ｘ−Ｘにおける断面図である。 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。 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。 従来の瞬時電圧低下補償装置の外観斜視図である。 従来の他の瞬時電圧低下補償装置の分解斜視図である。

符号の説明

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_１〜Ｄ_９ ダイオード
Ｈ、Ｈ_１〜Ｈ_５ ヒートシンク
ＨＳ_１〜ＨＳ_５ ヒートスプレッダ
Ｑ、Ｑ_１〜Ｑ_７ パワー半導体素子

Claims (7)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。

Images