CN101110554B - 电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电力变换装置，其具有：有多个开关元件的半导体装置，其中该开关元件用于将直流电流端子供给的交流电流转换为直流电流；用于控制半导体装置的开关元件的动作的驱动装置；用于检测交流电流的电流传感器；用于根据电流传感器检测出的交流电流来控制驱动装置的动作的控制装置；和连接直流电流端子的电容器，其中将驱动装置及控制装置安装在同一印刷电路板上，并将驱动装置配置在半导体装置的上方。从而，降低了开关噪音的发生，且难以受到开关噪音的影响。

Description

电力变换装置
技术领域
本发明涉及电力变换装置，特别是用于控制混合型车用电动机的电力变换装置。
背景技术
用于驱动混合型车和电动车用电动机的电力变换装置，驱动电压从42V到600V，比通常的车辆负载电压14V高，以及驱动电流大到数百安培，因而抑制噪音就成为一个课题。另外，抑制因操纵驱动电流的半导体装置和电容器发热导致的内部温度上升也成为一个课题。
作为抑制噪音的技术，例如，在特开2005-287273号公报(专利文献1)中提出将生成交流输出的半导体装置挨近噪音滤波器配置。另外，作为抑制温度上升的技术，例如，在特开2004-282804号公报(专利文献2)中，提出在半导体装置的上表面设立导热板，并在导热板上安装控制装置。
【专利文献1】特开2005-287273号公报
【专利文献2】特开2004-282804号公报
然而，在将半导体装置挨近噪音滤波器配置的上述电力变换装置中，挨近噪音滤波器的半导体装置分开配置在2处。因此，半导体装置的控制基板，在2处受到半导体装置的开关噪音的影响，所以需要在控制基板上设置两个减轻噪音用的滤波器。其结果，有可能引起电路复杂化、或电路复杂化所导致的噪音放大等新问题。并且，由于控制装置挨近半导体装置和噪音滤波器，故受到其发热的影响，会产生过度的温度上升。因此，难以用于环境温度比较高的汽车等。
另外，在半导体装置的上表面设立导热板并在导热板上安装控制装置的上述电力变换装置中，驱动电路与控制电路被导热板隔开。因此，各个接口电路变长。另外，控制电路配置在半导体装置之上。结果，控制装置就有可能受到半导体装置的开关噪音的影响而产生错误的动作。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种降低了开关噪音的电力变换装置。另外，另一个目的是提供一种具有减轻这种开关噪音的影响的结构的电力变换装置。而且，提供一种抑制装置的温度上升、并可用于环境温度高的汽车等的电力变换装置。
为了解决上述课题，在本发明的电力变换装置内有代表性的是以下的电力变换装置，其具有：有多个开关元件的半导体装置，该开关元件用于把从正负对的直流电流端子供给的直流电流转换为交流电流；用于控制半导体装置的开关元件的动作的驱动装置；用于检测交流电流的电流传感器；用于根据电流传感器检测出的交流电流来控制驱动装置的动作的控制装置；连接在直流电流端子之间的电容器；交流汇流条，其用于将半导体装置转换后的交流电流传输给交流电流端子；和电容器汇流条，其用于在直流电流端子、电容器和半导体装置之间进行电连接，其中驱动装置及控制装置安装在同一印刷电路板上，电流传感器装配在印刷电路板上，驱动装置配置在半导体装置的上方且配置在控制装置和电流传感器之间，半导体装置、交流汇流条和电容器汇流条，配置在同一平面上，交流电流端子，与该电流传感器排列为同列地设置在印刷电路板的配置了电流传感器的一边，交流汇流条的一端连接交流电流端子，并穿过电流传感器的电流检测部，另一端连接半导体装置中的开关元件的交流输入输出部。
优选的是，还具有：将半导体装置转换后的交流电流传输给交流电流端子的交流汇流条；在直流电流端子、电容器和半导体装置之间进行电连接的电容器汇流条，半导体装置、交流汇流条和电容器汇流条，配置在大体上相同的平面上。另外，电容器汇流条配置在电容器的上方，控制装置配置在电容器汇流条的上方。
另外，优选的是，半导体装置具有：第一开关元件组，其由将直流电流转换为3相交流电流的逆变器部构成；第二开关元件组，其由转换直流电流之间电压的转换器部构成。在这种情况下，优选的是，还具有由第一线圈形成的噪音滤波器，该噪音滤波器，串联连接在第二开关元件组、和不同于直流电流端子的第二直流电流端子之间。
另外，优选的是具有用于冷却半导体装置的冷却装置。
根据本发明，可提供一种降低了开关噪音的电力变换装置。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的电力变换装置的构成的框图。
图2是本发明的一个实施方式的电力变换装置的概略平面图。
图3是本发明的一个实施方式的电力变换装置的概略平面剖视图。
图4是本发明的一个实施方式的电力变换装置的概略侧视图。
图5是本发明的一个实施方式的电力变换装置的概略侧视图。
图6是表示本发明的一个实施方式的电力变换装置的构成的框图。
图7是表示装配了本发明的一个实施方式的电动发电机系统的车辆整体构成的框图。
图中：10-框体，11-GND凸台，12-冷却风扇，13-盖板，20-树脂壳体，21、22、23、40-电解电容器，27、28-连接器支架，29-PCB凸台，30-电感器，50-噪音滤波器，61-正极2次直流端子，62-正极1次直流端子，71、72、73-交流端子，100-电力变换装置，110-电动机半导体装置，111a、111b、111c、111d、111e、111f、151a、151b-MOS-FET，120-电动机基板，121a、121c、121e、122a、122c、122e、161、162-直流输入输出部，123a、123c、123e、163-交流输入输出部，131、171、301、311、321-铝线，150-转换器半导体装置，160-转换器基板，201-正极电容器汇流条，202-负极电容器汇流条，211、212、213、214、215、216-交流汇流条，221、222、223-转换器汇流条，231、232、233、234-直流汇流条，401a、401b、401c、401d、401e、401f、401g、401h-门引线，601-PCB，611、612、613-电动机电流传感器，621-转换器电流传感器，631、632-连接器，641-螺钉，651-引线连接孔，701-驱动装置，801-控制装置，910-车辆，920-引擎，922-变速器，924A、924B-车轴，926A、926B-前轮，940-电动发电机，941-皮带，942-车载蓄电池，943-其他辅助器类，944-12V蓄电池。
具体实施方式
下面针对本发明的实施方式，参照附图进行详细说明。
图1是表示本发明涉及的电力变换装置的一个实施方式的框图。图2是表示由图1的框图构成的电力变换装置的一个实施方式的概略平面图，图3是从图2方向看的概略平面剖视图，图4及图5是概略侧面剖视图。
在这些图所示的电力变换装置100中，电动机半导体装置110具有作为开关元件而起作用的MOS-FET111a、111b、111c、111d、111e、111f和电动机基板120。MOS-FET111a、111b、111c、111d、111e、111f，各自利用焊锡将两块芯片并列地安装在电动机基板120上。
MOS-FET111a和111b、111c和111d、111d和111e，分别与铝线131在电动机基板120上沿上下方向串联连接而构成支路。电动机基板120，在各支路上将由正负对形成的直流输入输出部121a、121c、121e、122a、122c、122e设置在一侧，在相反的一侧设置交流输入输出部123a、123c、123e。
另外，转换器半导体装置150由MOS-FET151a、151b和转换器基板160构成。MOS-FET151a、151b，各自利用焊锡将两块芯片并列安装在转换器基板160上，另外，与铝线171在转换器基板160上沿上下方向串联连接。
转换器基板160，将由正负对形成的直流输入输出部161、162设置在一侧，在相反的一侧设置交流输入输出部163。电动机基板120和转换器基板160被固定在铸铝的箱体10内，以使各个直流输入输出部121a、121c、121e、122a、122c、122e、161、162与交流输入输出部123a、123c、123e、163均朝向相同方向。
直流输入输出部121a、121c、121e、161，连接正极电容器汇流条201。直流输入输出部122a、122c、122e、162，连接负极电容器汇流条202。这些连接采用铝线301。
交流输入输出部123a、123c、123e，各自用铝线311而与交流汇流条211、212、213连接。直流输入输出部162，连接转换器汇流条221。这些连接采用铝线311。
电容器汇流条201、202、交流汇流条211、212、213、转换器汇流条221，通过一体模压成型而被固定在树脂壳体20内。另外，MOS-FET111a、111b、111c、111d、111e、111f、151a、151b的驱动信号，用铝线321，与门引线401a、401b、401c、401d、401e、401f、401g、401h连接。
再者，图3中的铝线131、171、301、311的根数，不限制其数量。可根据需要进行增减。同图中的铝线131、171、301、311、321，仅表示一部分，其他省略。
另外，在本实施例中表示的是用铝线进行电连接的构成，但不特别限定于此。代替铝线，也可以采用板状金属板等进行电连接。通过将铝线的一部分或全部换成板状金属板，可进一步提高装置的可靠性。另外，在这种情况下，还可以有助于装置的低电感化。
电动机基板120，可以按各支路或各个MOS-FET进行分割。另外，转换器基板160，可以按各个MOS-FET进行分割。即使在这种情况下，也可得到与上述实施例相同的效果。即使用一块基板构成电动机基板120和转换器基板160也是一样的。
MOS-FET111a、111b、111c、111d、111e、111f、151a、151b，不局限于两块。根据需要可进行增减。另外，不局限于MOS-FET，即使将IGBT与惯性二极管(fly wheel diode)组合或采用双极晶体管等，也可以得到与MOS-FET相同的效果。
电解电容器21、22、23、由1相线圈构成的电感器30、整流用的电解电容器40和由1相线圈构成的噪音滤波器50，固定在框体10内。电解电容器21、22、23的正极端子，连接正极电容器汇流条201，另外，这些电容器的负极端子连接负极电容器汇流条202。
正极电容器汇流条201，用直流汇流条231连接正极2次直流端子61。另外，负极电容器汇流条202，用直流汇流条232连接框体10的GND凸台11和电解电容器40的负极端子。
噪音滤波器50，其一端用直流汇流条233连接正极1次直流端子62。另外，其另一端用直流汇流条234连接电解电容器40的正极端子和电感器30的一端。
电感器30，其另一端通过转换器汇流条223、222而连接转换器汇流条221。交流端子71、72、73，通过交流汇流条214、215、216而分别连接交流汇流条211、212、213。
1次直流端子62、2次直流端子61以及交流端子71、72、73，通过一体模压成型而被固定在在树脂壳体20内。电容器汇流条201、202、直流汇流条23、232、233、234和转换器汇流条223，与电动机基板120和转换器基板160配置在同一平面上。在其下部的框体10的一侧，配置电解电容器21、22、23、电感器30、电解电容器40和噪音滤波器50。
电解电容器21、22、23，配置在与电动机基板120和转换器基板160的交流输入输出部123a、123c、123e、163相反的一侧。另外，交流端子71、72、73，配置在其相反的一侧。
再者，图3中各汇流条的连接采用螺钉，但不一定局限于螺钉。另外，对于电感器30、电解电容器40和噪音滤波器50的配置，1次直流端子62、2次直流端子61和框体10的GND凸台11的位置，均未进行限定。另外，代替电解电容器21、22、23、40，采用薄膜电容器、或薄膜电容器与电解电容器的组合，可以得到与上述实施例相同的效果。
框体10，具有冷却风扇12及其水冷水路的盖板13。冷却风扇12通过铸铝成型。冷却风扇12设置在电动机基板120和转换器基板160的下面。框体10兼用作1次直流端子和2次直流端子的负极。
树脂壳体20通过树脂模压而成型，兼用于各汇流条的固定和绝缘，并被固定在框体10内。再者，代替冷却风扇12，安装气冷风扇或其他冷却装置也可以得到与上述实施例相同的效果。
另外，作为框体10，采用铝铸件或钢板等其他的热传导性良好的材料也可以取得同样的效果。代替在框体10内设置负极，也可以设置负极端子，并固定在树脂壳体20内。
驱动装置701、控制装置801、电动机电流传感器611、612、613以及转换器电流传感器621，安装在一块印刷电路板即PCB601(Print CircuitBoard)上。用螺钉641将PCB601固定在树脂壳体20的PCB凸台29上，以便与电动机基板120、转换器基板160、电容器汇流条201、202、直流汇流条231、232、233、234以及转换器汇流条223的平面平行重叠。这时，PCB601，也有通过螺钉641固定场所的一部分或其他的连接方式来连接框体10，进行GND接地的情况。
另外，驱动装置701，以与电动机基板120及转换器基板160重叠的方式配置，控制装置801以与电容器汇流条201、202、直流汇流条231、232、233、234以及转换器汇流条223重叠的方式配置。
电动机电流传感器611、612、613及转换器电流传感器621，配置在PCB601的交流端子71、72、73侧的一边。由此，驱动装置701配置为被控制装置801和电动机电流传感器611、612、613包围。
PCB601在引线连接孔651上，与门引线401a、401b、401c、401d、401e、401f、401g、401h连接，并具有控制装置801的外部接口用连接器631、632。连接器631、632的连接器支架27、28，在树脂壳体20内模压成型。
交流汇流条211、212、213和转换器汇流条221，分别穿过电动机电流传感器611、612、613和转换器电流传感器621的电流检测部。电动机电流传感器611、612、613、转换器电流传感器621、控制装置801、驱动装置701和连接器631、632，分别在PCB601上连接。
再者，图2的电动机电流传感器611、612、613和转换器电流传感器621，采用绝缘型电流传感器，但采用分流电阻等其他电流传感器也可以得到相同的效果。另外，PCB601的固定，不局限于螺钉641，也可采用铆接等其他方法。并且，代替连接器631、632和连接器支架27、28，也可以采用通过连接器和电线束(harness)的外部接口。
本实施例的电力变换装置100具备冷却装置。因此，由电动机半导体装置110和转换器半导体装置150产生的热量，通过框体10的冷却风扇12而流入制冷剂中。该热量，由树脂壳体20遮挡，不会传到PCB601。
另外，由电解电容器21、22、23、电感器30、电解电容器40以及噪音滤波器50产生的热，通过框体10和冷却风扇12而流入制冷剂中。该热量被电容器汇流条201、202、直流汇流条231、232、233、234、转换器汇流条223以及树脂壳体20遮挡，不会传到PCB601。
再者，作为冷却装置，通过在框体10内形成完全的制冷剂通道，并在其上配置电动机半导体装置110及转换器半导体装置150就可进行冷却。另外，为了提高冷却效率，通过将装配了电动机半导体装置110及转换器半导体装置150的铜质底板等金属底板直接装配在制冷剂通道的开口部上，也可完成制冷剂通道。这时，在金属底板的冷媒接触面的金属底板上，可形成冷却风扇。
由此，电动机半导体装置110及转换器半导体装置150与PCB601之间的距离，即与驱动装置701的接口就可做成最短，从而可抑制开关噪音。
另外，电动机电流传感器611、612、613与转换器电流传感器621或控制装置801的那些接口，由于电动机半导体装置110和转换器半导体装置150不与驱动装置交叉，所以不受开关噪音的影响。
因此，例如在通过内燃机驱动的车辆中，不限制其安装位置，可很容易地装配。并且，电动机半导体装置110与转换器半导体装置150和PCB601上的接口分别变成最短，可使电力变换装置小型化。由此也可使其更容易装配在车辆上。
下面利用图6说明其他的实施例。在本图中，电力变换装置100由MOS-FET111a、111b、111c、111d、111e、111f、电解电容器21、驱动装置701和控制装置801构成。各个接口及结构，与上述实施例中的电力变换装置100相同，可取得相同的效果。
图7是表示装配了上述实施例中的电力变换装置100的车辆的一个实施方式的图。在本图中，车辆910备有引擎920。引擎920的驱动力，通过变速器922和第一车轴924A、924B，传送给前轮926A、926B，驱动前轮926A、926B。
在以上的说明中，作为以引擎920驱动前轮926A、926B的车辆进行说明，但也可以使引擎驱动后轮。另外，也可以适用于卡车那样6轮以上的车辆和拖车那样的牵引车辆。
在引擎室内，具备引擎920和由皮带941连接交流电动机而组成的电动发电机940。电动发电机940，通过皮带941驱动引擎920，或通过驱动辅助、引擎920和变速器922驱动前轮926A、926B。另外，通过皮带941，由引擎920驱动，或通过引擎920和变速器922由前轮926A、926B驱动，并兼用于给车辆蓄电池942充电、车辆的其他辅助器类943的电源、和给12V蓄电池944充电。
再者，电动发电机940，例如采用绕组励磁型3相交流电动机，车载蓄电池电压，例如通常比12V的电压高，例如可进行42V的驱动及发电。
在以上的说明中，电动发电机940与引擎920用皮带941连接，但也可适用于链条等其他的连接方法。另外，电动发电机920，设置在引擎920与变速器922之间，或变速器922内也可以取得相同的效果。
电动发电机940、车载蓄电池942和其他辅助器类943、以及12V蓄电池944，通过电力变换装置100连接。电力变换装置100，向其他辅助器类943以及12V蓄电池944或车载蓄电池942供给电动发电机940的发电电力，并向电动发电机940供给车载蓄电池942的电力。通过以上构成的电动发电机系统，车辆910具有空转停止(idle stop)和制动再生的功能，并改善了耗油量。
如上所述，根据本实施例的电力变换装置，可降低开关噪音。另外，可降低开关噪音的影响，并可抑制控制装置的温度上升。而且，可使电力变换装置小型化。
通过采用上述实施例的电力变换装置，例如可很容易地装配在内燃机驱动的车辆上。另外，装配了这种电力变换装置的车辆，具有空转停止和制动再生的功能，并有助于改善耗油量。

Claims (17)

1.一种电力变换装置，其具有：
有多个开关元件的半导体装置，其中该开关元件用于把直流电流端子所供给的直流电流转换为交流电流；
驱动装置，其用于控制所述半导体装置的所述开关元件的动作；
电流传感器，其用于检测所述交流电流；
控制装置，其用于根据所述电流传感器检测出的交流电流，控制所述驱动装置的动作；
电容器，其连接于所述直流电流端子；
交流汇流条，其用于将所述半导体装置转换后的所述交流电流传输给交流电流端子；和
电容器汇流条，其用于在所述直流电流端子、所述电容器和所述半导体装置之间进行电连接，
所述驱动装置及所述控制装置安装在同一印刷电路板上，
所述电流传感器装配在所述印刷电路板上，
所述驱动装置配置在所述半导体装置的上方且配置在所述控制装置和所述电流传感器之间，
所述半导体装置、所述交流汇流条和所述电容器汇流条，配置在同一平面上，
所述交流电流端子，与该电流传感器排列为同列地设置在所述印刷电路板的配置了所述电流传感器的一边，
所述交流汇流条的一端连接所述交流电流端子，并穿过所述电流传感器的电流检测部，另一端连接所述半导体装置中的所述开关元件的交流输入输出部。
2.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，
所述电容器汇流条配置在所述电容器的上方。
3.如权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于，
所述控制装置配置在所述电容器汇流条的上方。
4.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，
所述半导体装置具有：第一开关元件组，其构成将直流电流转换为3相交流电流的逆变器部；第二开关元件组，其构成一转换器部，该转换器部由串联连接在所述直流电流端子的正极与负极之间的第一MOSFET和第二MOSFET组成，
其中所述第一MOSFET和第二MOSFET的连接端作为所述第二开关元件组的输出部。
5.如权利要求4所述的电力变换装置，其特征在于，
还具有由第一线圈形成的噪音滤波器，
所述噪音滤波器，串联连接在所述第二开关元件组、和不同于所述直流电流端子的第二直流电流端子之间。
6.如权利要求5所述的电力变换装置，其特征在于，
用第一直流汇流条，将所述噪音滤波器的一个电极与所述第二直流电流端子连接，用第二直流汇流条将所述噪音滤波器的另一电极与连接于所述第二开关元件组的输出部的第二线圈的一个电极连接。
7.如权利要求6所述的电力变换装置，其特征在于，
所述噪音滤波器配置在所述第一直流汇流条及所述第二直流汇流条的下方。
8.如权利要求6所述的电力变换装置，其特征在于，
所述控制装置配置在所述第一直流汇流条及所述第二直流汇流条的上方。
9.如权利要求7所述的电力变换装置，其特征在于，
还具有用于将所述半导体装置及所述电容器装配在内部的金属框体，
所述噪音滤波器配置在所述金属框体的内部。
10.如权利要求4所述的电力变换装置，其特征在于，
还具有用于检测转换器部的电流的第二电流传感器，
所述控制装置，根据所述第二电流传感器检测出的所述电流，控制所述驱动装置。
11.如权利要求4所述的电力变换装置，其特征在于，
所述第一开关元件组和所述第二开关元件组，由多个MOS-FET形成。
12.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，
还具有：
用于将所述半导体装置及所述电容器装配在内部的金属框体；和
用于冷却所述半导体装置的冷却装置。
13.如权利要求12所述的电力变换装置，其特征在于，
在所述冷却装置内部形成有风扇。
14.如权利要求12所述的电力变换装置，其特征在于，
所述金属框体具有作为所述直流电流端子的负极的功能。
15.如权利要求12所述的电力变换装置，其特征在于，
还具有用于对安装了所述驱动装置及所述控制装置的印刷电路板进行固定的树脂壳体。
16.如权利要求9所述的电力变换装置，其特征在于，
所述交流电流端子将所述逆变器部转换后的所述3相交流电流输出，
所述直流电流端子、所述第二直流电流端子和所述交流电流端子排列配置在所述金属框体的一个侧面上。
17.一种电动机发电系统，在内燃机驱动的车辆上装配有权利要求4所述的电力变换装置。
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Patentee after: Hitachi astemo Co.,Ltd.

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Effective date of registration: 20211129

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