CN101527523A - 功率变换装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种功率变换装置，根据该功率变换装置的在印刷基板等导体基板上设置多个电容器的平滑电容器的安装结构，能够降低在半导体开关元件进行开关动作时流过电容器的电流的偏差。对半导体开关元件和电容器进行设置，使得各个半导体开关元件的正极端子以及负极端子的排列方向与分别位于各个半导体开关元件附近的电容器的正极端子以及负极端子的排列方向大致相同，并且，各个半导体开关元件的正极端子以及负极端子的排列顺序与分别位于各个半导体开关元件附近的电容器的正极端子以及负极端子的排列顺序相反。半导体开关元件与电容器之间的各电流通道中的阻抗的大小的差异得到缓和，能够降低流过各个电容器的电流的偏差。

Description

功率变换装置

技术领域

本发明涉及一种功率变换装置，尤其是涉及平滑电容器部分的安装结构。

背景技术

作为设置在功率变换装置的整流器与逆变器之间的直流环路部分上的平滑电容器的安装结构，在现有的技术中，采用了在构成脉宽调制(PulseWidth Modulation，PWM)整流器的半导体开关元件与构成逆变器的半导体开关元件之间或者半导体开关元件的附近设置电容器，并且通过导线或者汇流排等进行连接的结构。此时，由于导线和汇流排等的配线阻抗的影响，在半导体开关元件进行开关动作时，在开关元件的端子之间会产生过电压，从而可能导致开关元件损坏。作为解决方法，通常采用用于抑制过电压的缓冲电路。另一方面，在日本国专利特开2006-197735号公报(专利文献1)以及日本国专利特开2003-219661号公报(专利文献2)所记载的现有技术中，通过在印刷基板等的导体基板上设置多个小型电容器来降低配线阻抗，以此减少缓冲电路或者实现小型化。

专利文献1日本国专利特开2006-197735号公报

专利文献2日本国专利特开2003-219661号公报

根据在印刷基板上设置多个小型电容器的方式，其通过并联设置多个电容器来实现与现在所使用的大型电容器同等的静电容量。但是，在现有的技术中，没有对流入各个电容器的电流的偏差作出考虑。

图9举例表示了在现有技术中在印刷基板上设置小型电容器时通常采用的方法。功率变换装置的主电路由PWM整流器侧的半导体开关元件1a～1c、逆变器侧的半导体开关元件2a～2c、印刷基板3以及电容器4a～4h构成。安装在印刷基板3上的电容器，为了满足耐压要求，采用了将2个电容器串联连接的结构，且为了确保所需的容量，采用了将4个电容器并联连接的结构。具体来说，是将电容器4a和电容器4b、电容器4c和电容器4d、电容器4e和电容器4f以及电容器4g和电容器4h分别串联连接，将电容器4a、电容器4c、电容器4f和电容器4h的各自的负极端子(“-”极端子)与直流环路部分的负极连接，并且将电容器4b、电容器4d、电容器4e以及电容器4g的各自的正极端子(“+”极端子)与直流环路部分的正极连接。

在图9中，对半导体开关元件和电容器进行设置，使得PWM整流器侧的半导体开关元件、PWM整流器侧的电容器的正极端子和负极端子以及逆变器侧的半导体开关元件、逆变器侧的电容器的正极端子和负极端子分别形成相同的排列。根据该结构，印刷基板的配线图形的配线和印刷基板的安装作业等变得方便。但是，根据本发明人所得到的新的见解，在半导体开关元件进行开关动作时，流入各个电容器的电流会产生偏差。

图10表示本发明者的新研究的结果，也就是图9的现有技术例中的电容器的电流分布的模拟结果。图中表示的是在逆变器侧的半导体开关元件2a进行开关动作时，在该开关元件中流过具有启动时间的振幅1(pu)的阶梯电流的情况。从图10可以看出，在启动时，位于半导体开关元件2a附近的电容器4b中流过的电流增大，上升到0.31(pu)，超过了平均电流0.25(pu)。另一方面，在距离较远的电容器4g中，启动时的电流较小，为0.21(pu)。产生这一现象的原因是阻抗出现了差异，而阻抗的差异则是因印刷基板3上的配线距离的不同而引起的，例如，在并联级数进一步增加，而导致图上的纵向长度进一步加长时，电流将进一步集中到半导体开关元件附近的电容器中，并且距离较远的电容器中的电流将进一步降低，为此，偏差将进一步增加。当电流如上所述那样不能均匀分散，而集中在特定的电容器中时，该电容器的负担增大，可能会导致盖电容器的使用寿命下降。

发明内容

本发明是鉴于上述所存在的问题而作出的，本发明的目的在于提供一种功率变换装置，根据该功率变换装置的在印刷基板等导体基板上设置多个电容器的平滑电容器的安装结构，能够降低在半导体开关元件进行开关动作时流过电容器的电流的偏差。

为了实现上述目的，在本发明的功率变换装置中，在设置在多个半导体开关元件上的导体基板上设置多个电容器，并且对半导体开关元件以及电容器进行设置，使得各个半导体开关元件的正极端子以及负极端子的排列方向与分别位于各个半导体开关元件附近的电容器的正极端子以及负极端子的排列方向大致相同，并且使各个半导体开关元件的正极端子以及负极端子的排列顺序与分别位于各个半导体开关元件附近的电容器的正极端子以及负极端子的排列顺序相反。

根据上述方案，通过将用于连接分别位于各个半导体开关元件附近的各个电容器的正极端子和半导体开关元件的正极端子的导体基板上的电流通道与用于连接分别位于各个半导体开关元件附近的各个电容器的负极端子和半导体开关元件的负极端子的导体基板上的电流通道设置成相互交叉，使得半导体开关元件与位于其附近的电容器之间的阻抗增加。由此，半导体开关元件与位于其附近的电容器之间的阻抗和半导体开关元件与距离较远的电容器之间的阻抗之间的大小的差异得到缓和。因此，能够降低在半导体开关元件进行开关动作时流过各个电容器的电流的偏差。

附图说明

图1表示本发明第1实施例的功率变换装置。

图2是图1下部的箭头所示方向的视图。

图3是第1实施例的电路图。

图4举例表示第1实施例的印刷基板的配线图形。

图5表示本发明人对第1实施例的电容器中的电流分布进行的模拟试验的结果。

图6表示本发明第2实施例的功率变换装置。

图7表示本发明第3实施例的功率变换装置。

图8是第3实施例的电路图。

图9举例表示了在现有技术中在印刷基板上设置小型电容器时通常采用的方法。

图10表示图9的现有技术例中的电容器的电流分布的模拟结果

符号说明

1a～1c PWM整流器侧的半导体开关元件

2a～2c逆变器侧的半导体开关元件

3印刷基板

4a～4p，6a～6c电容器

5a～5d  电阻

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施形式进行说明。

实施例1

图1表示本发明第1实施例的功率变换装置。本功率变换装置由PWM整流器侧的半导体开关元件1a～1c、逆变器侧的半导体开关元件2a～2c、印刷基板3、电容器4a～4h以及电阻5a～5d构成。在印刷基板3中，将PWM整流器的直流侧和逆变器的直流侧连接而形成直流环路部分，在直流环路部分的正极与负极之间连接多个由电容器4a～4h构成的平滑电容器。半导体开关元件1a～1c以及2a～2c是由串联连接的2个开关元件(晶体管、IGBT等)构成的半导体开关元件，其中第1的开关元件的集极部分为正极侧端子C(+)，第2的开关元件的射极部分为负极侧端子E(-)，将第1以及第2开关元件串联连接起来的接点即第1开关元件的射极部分和第2开关元件的集极部分作为交流端子分别与外部连接。

图2是图1下部的箭头所示方向的视图。在图中，在PWM整流器侧以及逆变器侧的半导体开关元件的上部设置有印刷基板3，在印刷基板3上安装了电容器以及电阻。

图3是第1实施例的电路图。在该电路中，PWM整流器将电源的商用交流电变换为直流电，逆变器将直流电逆变换为任意频率的交流电。在图1的印刷基板3中，PWM整流器以及逆变器的各个正极端子(“+”极端子)相互连接，并且各个负极端子(“-”极端子)相互连接，并且如图3所示，在正极端子与负极端子之间连接有电容器以及电阻。此外，安装在图1的印刷基板3上的电容器，为了满足耐压要求，如图3所示，构成为2串联4并联的结构。具体来说，是将图1的电容器4a和电容器4b、电容器4c和电容器4d、电容器4e和电容器4f、电容器4g和电容器4h分别串联连接，并且将电容器4a、电容器4c、电容器4e和电容器4g的各个正极端子与PWM整流器以及逆变器的正极连接，将电容器4b、电容器4d、电容器4f和电容器4h的各个负极端子与PWM整流器以及逆变器的负极连接。此外，电阻5a～5d是为了补偿串联连接的电容器的电压平衡的平衡电阻，如图3所示，将电阻5a和电阻5b以及电阻5c和电阻5d串联连接，并将其中点与串联连接的电容器的中点连接。

在图1的第1实施例中，对构成PWM整流器的各个半导体开关元件进行设置，使得正极端子以及负极端子的排列方向和排列顺序相同。此外，构成逆变器的各个半导体开关元件也同样设置。PWM整流器侧半导体开关元件1a～1c附近的电容器4e～4h的正极端子以及负极端子的排列方向与半导体开关元件1a～1c大致相同，但排列顺序相反。同样，逆变器侧半导体开关元件2a～2c附近的电容器4a～4d的正极端子以及负极端子的排列方向与半导体开关元件2a～2c大致相同，但排列顺序相反。根据上述设置，连接任意一个半导体开关元件(例如2a)的正极端子与位于该半导体开关元件附近的串联电容器组(例如，4a和4b)的正极端子的印刷基板上的电流通道和连接相同的半导体开关元件的负极端子与相同的串联电容器组的负极端子的印刷基板上的电流通道相互交叉。

此时，例如在逆变器侧的半导体开关元件2a进行开关动作时，由于流过附近的串联电容器4a、4b的正极端子的电流的通道与流过负极端子的电流的通道，如在图1的印刷基板3上示出的实线箭头那样相互交叉，因此，因电流而产生的磁通增强，而导致阻抗增加。另一方面，在距离较远的串联电容器4e、4f中，如在图1的印刷基板3上示出的虚线箭头所示，流过正极端子的电流和流过负极端子流动的电流分别朝着相反的方向流动，所产生的磁通相互抵消，阻抗因此降低。即，半导体开关元件2a与位于其附近的电容器之间的阻抗和半导体开关元件2a与距离较远的电容器之间的阻抗的差异降低。其结果，能够降低在电容器中流动的电流的偏差。

此外，在图1的实施例中，正极端子C(+)、负极端子C(-)以及交流端子依序线性地设置在各个半导体开关元件中。并且，在印刷基板3的纵向上，半导体开关元件和电容器被设置成线对称。由此，PWM整流器以及逆变器的各相的交流端子被设置在印刷基板3的外侧，从而能够方便地与外部连接。

图4举例表示第1实施例的印刷基板3的配线图形。印刷基板3是双面导体基板，在正面具有正极侧的层(P层)，而在背面具有中点的层(C1层、C2层)以及负极侧的层(N层)。作为逆变器侧的半导体开关元件2a进行开关动作时的电流的通道，在距离半导体开关元件2a较远的位置上的电容器中，电流在印刷基板的正面和背面上沿相反的方向流动，而在距离较近的电容器(例如电容器4a、4b)中，电流为了避开会导致磁通增强的通道而进行迂回流动。其结果，电流通道的阻抗的偏差变小，在电容器中流动的电流的偏差降低。

此外，如图1所示，PWM整流器侧的串联电容器(4e和4f；4g和4h)中的一方的端子即各个负极端子和逆变器侧的串联电容器(4a和4b；4c和4d)中的一方的端子即各个负极端子在印刷基板3的中央部分相对向。也就是说，这些负极端子均集中在印刷基板的中央部分。由此，能够在如图4所示的在正反两面具有导体层的结构比较简单的1块导体基板上将PWM整流器侧以及逆变器侧的多个电容器连接起来，构成平滑电容器。

图5表示由本发明人对第1实施例的电容器中的电流分布进行的模拟试验的结果。图中表示的是在逆变器侧的半导体开关元件2a进行开关动作，具有启动时间的振幅1(pu)的阶梯电流流过时的情况。从图5可以知道，电容器4e的启动时流过的电流最大，超过平均电流0.25(pu)，达到0.28(pu)。与图10的现有技术的0.31(pu)相比，最大电流下降。另一方面，最小电流也接近平均值，电流的偏差得到降低。

此外，在图4的基板结构中，将图4(b)的基板背面的负极侧的层(N层)中的纵向的电流通道部分的幅度X设定得较宽时，电流的相互抵消效果较大，能够降低阻抗。此时，距离动作中的半导体开关元件较远的电容器中的电流的偏差的降低效果大。作为安装结构，在设置电容器时，扩大逆变器侧的电容器4a～4d和PWM整流器侧的电容器4e～4h的距离，即，将逆变器侧的电容器4b与PWM整流器侧的电容器4e之间的距离设定成大于串联连接的电容器4a与电容器4b之间的距离。

并且，在图1的第1实施例中，如图3的电路图以及图4的基板结构所示，将PWM整流器侧的中点的层(C1层)和逆变器侧的中点的层(C2层)电分离，并且在PWM整流器侧和逆变器侧分别连接电压平衡用的电阻。由此，电容器与电阻之间的阻抗实现均等化，并且能够防止在C1层和C2层之间流过不需要的循环电流。因此，能够得到稳定的平衡效果。

图6表示本发明第2实施例的功率变换装置。在本实施例中，与第1实施例相比，增加了电容器的并联数量。图6所示的功率变换装置采用了2串联8并联的结构，电容器4a和电容器4b、电容器4c和电容器4d、电容器4e和电容器4f、电容器4g和电容器4h、电容器4i和电容器4j、电容器4k和电容器4l、电容器4m和电容器4n以及电容器4o和电容器4p分别串联连接。并且电容器4a、电容器4c、电容器4e、电容器4g、电容器4j、电容器4l、电容器4n以及电容器4p的各个正极端子连接在PWM整流器以及逆变器的正极上，电容器4b、电容器4d、电容器4f、电容器4h、电容器4i、电容器4k、电容器4m以及电容器4o的各个负极端子连接在PWM整流器以及逆变器的负极上。

在本实施例中，与图1的第一实施例相同，在PWM整流器侧以及逆变器侧，分别对半导体开关元件和电容器进行设置，使得半导体开关元件的正极端子以及负极端子和电容器的正极端子以及负极端子的排列方向均大致相同，并且排列顺序相反。由此，能够降低在电容器中流动的电流的偏差。电容器的并联级数越多，半导体开关元件和与其距离最远的电容器之间的距离越长，则该偏差的降低效果越为显著，从而能够分散电容器的负担。因此，能够延长电容器的寿命。

图7表示本发明的第3实施例的功率变换装置，图8表示本实施例的电路图。在本实施例中，由于使用了耐电压量较大的电容器6a～6d，因此各个电容器单独地连接在直流环路部分的正极(P)与负极(N)之间。也就是说，多个电容器之间不进行串联连接，而使4个单独的电容器并联连接以构成平滑电容器。因此，不连结平衡用的电阻。在本实施例中，与第1以及第2实施例相同，在PWM整流器侧以及逆变器侧，分别对半导体开关元件和电容器进行设置，使得半导体开关元件的正极端子以及负极端子和电容器的正极端子以及负极端子的排列方向相同，并且排列顺序相反。由此，能够降低在电容器中流动的电流的偏差。

在第1以及第2实施例中，PWM整流器侧和逆变器侧的半导体开关元件以及电容器均在印刷基板上连接，但也可以使用其它的导体基板，将其与连接有电容器的印刷基板并联连接，并将PWM整流器侧半导体器件和逆变器侧半导体开关元件的各个正极端子相互连接以及将负极端子相互连接。此时，由于大部分的高频脉动分量在印刷基板中流动，而主电流分量在其它的导体基板中流动，因此能够抑制印刷基板的发热。

以上对本发明的实施形式进行了说明，但本发明并不仅限于上述实施形式，而可以在本发明的技术思想的范围内采用各种形式。

Claims (7)

1.一种功率变换装置，具备：

多个半导体开关元件；以及

多个电容器，该多个电容器安装在导体基板上，并分别连接在所述多个半导体开关元件的正极端子与负极端子之间，其中所述导体基板设置在所述多个半导体开关元件上，所述功率变换装置的特征在于，

各个所述半导体开关元件的正极端子以及负极端子的排列方向与所述多个电容器中的位于所述各个半导体开关元件附近的电容器的正极端子以及负极端子的排列方向大致相同，并且，所述各个半导体开关元件的正极端子以及负极端子的排列顺序与位于所述各个半导体开关元件附近的所述电容器的正极端子以及负极端子的排列顺序相反。

2.如权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，

对所述多个半导体开关元件以及所述多个电容器进行设置，使得所述各个正极端子以及所述各个负极端子的位置关系形成线对称。

3.如权利要求2所述的功率变换装置，其特征在于，

使所述多个电容器中的各个电容器串联连接而形成两个以上电容器串联在一起的结构，在所述线对称设置的一侧的电容器中使串联连接的中点相互之间短路，并且在所述线对称设置的另外一侧的电容器中使串联连接的中点相互之间短路，使设置在所述一侧的电容器的所述中点与设置所述另一侧的电容器的所述中点电分离，在设置在所述一侧的电容器的中点与设置在所述一侧的半导体开关元件的正极端子之间和设置在所述一侧的电容器的中点与设置在所述一侧的半导体开关元件的负极端子之间、以及设置在所述另一侧的电容器的中点与设置在所述另一侧的半导体开关元件的正极端子之间和设置在所述另一侧的电容器的中点与设置在所述另一侧的半导体开关元件的负极端子之间分别连接了电阻。

4.如权利要求3所述的功率变换装置，其特征在于，

设置在所述一侧的串联连接的电容器与设置在所述另一侧的电容器之间的最短距离大于设置在所述一侧的串联连接的电容器之间的距离或者设置在所述另一侧的串联连接的电容器之间的距离。

5.如权利要求3或者权利要求4所述的功率变换装置，其特征在于，

所述导体基板在正面以及反面的两个面上均具有导体层，在其中至少一个面上设置使设置在所述一侧的电容器的串联连接的中点短路的导体图形以及使设置在所述另一侧的电容器的串联连接的中点短路的导体图形，所述各个导体图形分别位于所述导体基板的不同的端部。

6.如权利要求1至5中的任意一项所述的功率变换装置，其特征在于，

用于连接分别位于所述各个半导体开关元件附近的所述各个电容器的正极端子和所述半导体开关元件的正极端子的导体基板上的电流通道与用于连接分别位于所述各个半导体开关元件附近的所述各个电容器的负极端子和所述半导体开关元件的负极端子的导体基板上的电流通道相互交叉。

7.一种功率变换装置，具备：

多个半导体开关元件；以及

多个电容器，该多个电容器安装在导体基板上，并分别连接在所述多个半导体开关元件的正极端子与负极端子之间，其中所述导体基板设置在所述多个半导体开关元件上，所述功率变换装置的特征在于，

用于连接分别位于所述各个半导体开关元件附近的电容器的正极端子和所述各个半导体开关元件的正极端子的所述导体基板上的电流通道与用于连接分别位于所述各个半导体开关元件附近的所述电容器的负极端子和所述各个半导体开关元件的负极端子的所述导体基板上的电流通道相互交叉。

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