CN101714823B - 电力变换装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种电力变换装置，通过电力变换装置具备的大电流电路用的电源基板的缩小而实现电力变换装置自身的小型化的同时可靠性高。功率半导体模块所具有的、与主电路基板连接的引线端子中，对于规定引线端子与主电路基板连接，并且在主电路端子座附近连接。此外，上述规定引线端子在主电路基板和主电路端子座的竖直方向下侧连接。

Description

电力变换装置

技术领域

本发明涉及一种电力变换装置，特别涉及其内部的结构。

背景技术

作为电力变换装置的逆变器，多被用于生成行业的交流电动机的速度控制装置，例如被搭载在家电产品和车上等。除了上述搭载在其他产品上以外，还可以将电力变换装置设置在控制盘上，但一般而言由于搭载空间的限制，小型化的要求非常高。

电力变换装置通过将IGBT等功率元件(电力用半导体元件)开关驱动实行电压、频率的可变控制，近年来为了实现小型化使用与保护电路等周边电路一起组装的半导体模块、即IPM(Intelligent PowerModule：智能功率模块)。

作为针对小型化的观点提出的功率模块的现有技术存在专利文献1。如段落(0014)和(0015)所述，将电力变换装置的配线基板分离为大电流电路用的电源基板和微小电流电路用的控制基板21，只将控制基板搭载在主电路模块的上表面附近。日本专利特开2003-332526号公报的图15中公开了其中一例，通过如上所述使其分离，由于能够使用薄铜箔的印刷配线板作为流过微小电流的控制电路类配线基板，控制了基板尺寸，能够实现功率模块的安装占有面积的缩小化。

发明内容

日本专利特开2003-332526号公报通过使用薄铜箔的印刷配线板控制基板尺寸，但不是实现基板上的配线图案的缩小。在将电力变换装置的配线基板分离为大电流电路用的电源基板和微小电流电路用的控制基板的情况下，由于在大电流电路用的电源基板可能会流过达到数十A的电流，需要有能承受该大电流的铜箔图案的厚度和宽度。由于在该铜箔图案上不能配置其他部件，对于电源基板的小型化，进而对于电力变换装置自身的小型化，希望能减小电源基板的上述铜箔图案面积的占有率。

另一方面，为了实现小型化将功率半导体模块的引线端子与电源基板连接从而实现配线图案的缩小的情况下，担心在功率半导体模块的引线端子之间聚集灰尘，因电力变换装置的设置环境以此为原因发生引线端子之间的短路。例如，在设置纤维加工机械的环境中空中飘浮细尘，为了使线不截断，通过加湿总是在湿气较高的环境下实行制作。

在上述环境中使用电力变换装置的情况下，担心在上述的功率半导体模块的邻接引线端子之间聚集细尘，因该细尘的吸湿使邻接的引线端子之间短路。根据以上，作为结果，存在产生电力变换装置无法正常作用的问题的可能性。

本发明的目的在于，在实现电力变换装置的小型化的同时，防止上述引线端子的短路并提高其可靠性。

为了解决上述目的本发明例如为权利要求所记载的结构。

列举一例来说，在电力变换装置包括：内置了功率半导体芯片的功率半导体模块；对该功率半导体模块的热量进行散热的冷却散热片；相对于上述功率半导体模块配置在与上述冷却散热片相反侧的主电路基板；和在上述电力变换装置被设置的状态下设置在上述主电路基板上的竖直方向下侧的主电路端子座，上述功率半导体模块所具有的、与上述主电路基板连接的引线端子中，规定的引线端子在上述主电路端子座的下侧与上述主电路基板连接。

此外在上述方式中，优选规定的引线端子在上述主电路基板和上述主电路端子座的竖直方向下侧连接。

作为为了解决上述目的的另一种方式，在电力变换装置包括：内置了功率半导体芯片的功率半导体模块；对该功率半导体模块的热量进行散热的冷却散热片；和相对于上述功率半导体模块配置在与上述冷却散热片相反侧的主电路基板，在上述主电路基板上具有主电路端子座和平滑用的电容器，并设置了隔壁，在上述电力变换装置被设置的状态下，上述隔壁从上侧覆盖上述功率半导体模块所具有的、在水平方向上并排地与上述主电路基板相连接的引线端子。

此外在上述方式中，优选由上述隔壁覆盖的引线端子在上述主电路端子座的附近与上述主电路基板连接。

根据本发明优选的实施方式，能够实现电力变换装置的小型化和提高可靠性。

本发明的其他目的和特征可以由以下叙述的实施方式中了解。

本发明的上述和其他特征、目的、优点能够由以下说明结合附图清晰看出。

附图说明

图1是电力变换装置的主电路结构的概要图。

图2是电力变换装置的主要部件配置图的一例。

图3是在功率半导体安装主电路基板的实施例俯视图。

图4是用于说明电力变换装置的使用状态下的部件配置的图。

图5是用于说明在本实施例的引线端子聚集细尘的状态的图。

图6是用于说明本实施例的功率半导体模块的细节的图。

具体实施方式

在此叙述了几个本发明相关的实施方式，但应该理解公开的实施方式可以在不偏离发明主旨的范围内进行变更和修改。因此，本发明不限于以下的叙述，还包括在不偏离权利要求的范围内的各种变动和修改。

以下，根据图1～图5说明本发明的具体的实施例。

实施例1

对于本发明的电力变换装置的实施例1使用附图进行说明。其中，对于各图中共通的结构附加相同的参考符号。

图1是本实施例的电力变换装置的电路结构的概要图。1表示将交流电力变换为直流电力的顺变器(整流器)，2表示位于直流中间电路中的平滑用电容器，3表示将直流电力变换为任意频率的交流电力的逆变器，4表示由电力变换装置控制的交流电动机。6为冷却风扇，进行由顺变器和逆变器等功率半导体芯片组成的功率半导体模块10的冷却。此外，7为设定、变更电力变换装置的各种控制数据，进行异常状态和监测显示的数字操作面板。

5为搭载有微型计算机(控制运算装置)的控制电路，其控制逆变器等各开关元件，并具有实行电力变换装置整体的控制的功能。在此省略其内部结构，该微型计算机构成为基于来自存放有各种控制数据的存储部的存储数据的信息进行运算，根据由数字操作面板7输入的各种控制数据进行需要的控制处理。其中，构成为在该数字操作面板7，当发生异常的情况下显示该异常。

8为驱动逆变器等各开关元件的驱动电路。驱动电路8基于来自控制电路5的指令驱动逆变器等各开关元件。此外，在驱动电路8内搭载有开关调节器电路(DC/DC变换器)，生成电力变换装置的运转需要的各直流电压，将其对于各结构供给。

此外，9为用于消费将交流电动机4减速时产生的再生能量的再生制动电路。此处，在上述功率半导体模块10内，作为代表的开关元件搭载有IGBT。该元件不限定为IGBT，具有作为开关元件的方式即可。由于作为电力变换装置的逆变器是公知的技术，省略其详细说明。

图2、图3是用于说明将电力变换装置的主要部件组装起来的状态的图。此处，在图2中，10为使逆变器3及其周边电路模块化的功率半导体模块，22为该功率半导体模块的模块外壳。该功率半导体模块10是由作为功率半导体元件的IGBT构成的逆变器3作为芯片安装在绝缘基板，进而电流检测电阻和温度保护热敏电阻等控制元件被内置在同一基板上。为了内部的绝缘和保护在密封填充材料的状态下构成功率半导体模块10。而且，在本实施例中如上所述将逆变器3及其周边电路模块化，但不限于此，也可以使用将顺变器1、逆变器3及再生制动电路9搭载在一个模块内的功率半导体模块。

或者，即使在未如上所述被模块化，也就是说由分立部件构成电力变换装置的顺变器和逆变器的情况下，本发明也适用。

而且，如图3所示为了冷却功率半导体模块10，具有冷却散热片12和冷却风扇6，在树脂模具外壳13覆盖主电路基板14地与冷却散热片12接合。由此成为来自作为发热体的功率半导体模块10的热量被热传导至冷却散热片12，通过冷却风扇6对冷却散热片传送空气进行热交换使其放热的结构。其中，在主电路基板14，除主电路端子座之外还搭载有例如平滑用电容器2等。

此处，如图2所示，由功率半导体模块10露出多组引线端子部16，贯通主电路基板14内的贯通孔18通过焊锡连接。其中，主电路基板14在部件安装后，以绝缘强化为目的进行漆处理。17为主电路端子座，由功率半导体模块10的外壳露出的多组引线端子部16的各端子通过上述主电路基板14的铜箔图案与主电路端子座电连接。

此外，功率半导体模块10为了放热被搭载在冷却散热片12上，覆盖该功率半导体模块地安装主电路基板14。如上所述，功率半导体模块10的各引线端子与上述主电路基板14连接后，通过主电路基板上的铜箔图案与主电路端子座电连接。

此外，主电路端子座17为了使使用电力变换装置的用户便于输入输出配线，被配置在电力变换装置的冷却用空气的上游一侧(装置下侧)。其中，图2和图3中电力变换装置为横向倒下的状态，实际用户使用的情况下，将树脂模具外壳13作为正面，即，在操作面板7作为正面竖起的状态下使用。

此外，该主电路端子座17与作为大电流用电路基板的上述主电路基板14内的铜箔图案电连接，由于上述铜箔图案会流过达到数十A的电流，需要能承受该电流的铜箔图案的厚度和宽度。从而，如果该主电路基板14内的上述铜箔图案面积的占有率增大，由于无法安装其他部件，对于装置的小型化成为很大制约。

其中，图4是表示竖起该电力变换装置的状态下主电路基板14与冷却散热片12、功率半导体模块10等的位置关系的概念的图。此外，图4右边表示了该竖起状态下由横向观察的截面的概念。

此外，如图2所示由功率半导体模块10的外壳露出的多组引线端子部16的各端子16R、16S、16T、16U、16V、16W、16P、16N、16RB为被附加高压电位的端子，因此与引线端子部连接的各铜箔图案之间也被附加了高压电位。因此，在各铜箔图案之间必须确保符合规格的绝缘距离，在各铜箔图案之间因绝缘距离的问题无法搭载不同电位的部件，还是对于装置的小型化成为很大障碍。

出于以上各点，连接功率半导体模块10的引线端子部16和主电路端子座17的铜箔图案的长度，由主电路基板的小型化、进而由电力变换装置的小型化方面来看，优选其尽量短。其中，如上所述，主电路端子座17，考虑到电力变换装置的用户的便利，被配置在电力变换装置的装置下侧。

因此，在本实施例中，如图2所示，在功率半导体模块的引线端子中，将16U、16V、16W与主电路基板连接，并且在主电路端子座17的附近，此处进而与主电路端子座的下侧连接。由此，由于从上述引线端子与主电路基板连接的部位至与主电路端子座连接的配线图案能够缩短，可以实现主电路基板的小型化。其中，本实施例中对于16U、16V、16W在主电路端子座的下侧连接，但不限于此，也可以将其他引线端子这样连接。由于对其他引线端子也附加了高压电位，产生上述铜箔图案的宽度和绝缘距离的问题，能够期待相同的效果。

此外，顺变器或者逆变器由分立部件的功率半导体构成的情况下，通过使上述功率半导体中的一个在主电路端子座的附近与主电路基板连接，同样能够缩短铜箔图案。因此在此情况下，与功率半导体模块同样能够实现电力变换装置的小型化。

实施例2

对于本发明的电力变换装置的实施例2使用附图进行说明。本实施例的电力变换装置以实施例1为前提，如图2所示，功率半导体模块的规定引线端子在主电路端子座的下侧与主电路基板连接。在此情况下，如上所述可以实现主电路基板和电力变换装置的小型化。其中，本实施例中也对于搭载有将功率半导体模块化后的模块的情况进行了说明，但各个功率半导体为分立部件时也同样适用。

此处，对于本实施例的电力变换装置的冷却结构进行说明。在作为复合模块构成的功率半导体模块10中，搭载有未图示的温度检测器，由此检测出功率模块内部的温度。此外，如图4所示，功率半导体模块10为了冷却，位于冷却散热片12和主电路基板14之间，被安装在冷却散热片12的盖13覆盖，在该盖13的上表面、两个侧面和底面设置有图3所示的通风用的开口部15。

其中，冷却风扇6，是使将来自作为发热体的功率半导体模块10的热量热传导的冷却散热片12强制空气冷却，而不是使被安装在上述冷却散热片12的盖13覆盖的电力变换装置内部强制空气冷却。因此，对于设置在电力变换装置的盖13的上表面、两个侧面和底面的通风用的开口部，主要吸入来自上述盖的两个侧面和底面的装置周围的冷空气，由盖上表面的开口部使装置内部的暖空气流出。

即，电力变换装置内部的冷却方式，不是冷却散热片进行强制空气冷却，而是因电力变换装置的外部和内部的温度差形成自然对流的循环的结构。因此，空中飘浮的细尘因上述自然对流的循环被吸入电力变换装置内部。

此处，在达成小型化的上述形态中，如图4所示为，从功率半导体模块10的外壳露出的引线端子(本实施例中为16U、16V、16W)被配置在电力变换装置的冷却用空气的上游侧(装置下侧)的结构。

图5中从下方表示将功率半导体模块的引线端子和主电路基板的连接的状态，在从上述功率半导体模块10的外壳露出的邻接的引线端子和主电路基板之间的空间聚集细尘，因细尘的吸湿，存在邻接的引线端子间短路的危险性。

例如，设置有纤维加工机械的环境中，空中飘浮细尘，为了使线不截断，通过加湿总是在湿气较高的环境下实行制作。在上述环境中，使用电力变换装置的情况下，担心安装在电力变换装置内部的功率半导体模块的邻接的引线端子间聚集细尘，因细尘的吸湿使邻接的引线端子之间短路。从而根据以上，作为结果，存在产生电力变换装置无法正常作用的问题的可能性。

由于对于设备的预防维护不能完全进行，产生上述问题的情况下，为了确定原因和维护的时间会成为设备停止的时间，作为设备整体，成为对生产性引起很大妨碍的原因。因此，即使在上述环境下也希望有可靠性高、对于生产使用性良好的电力变换装置。

其中，如图2所示，在主电路基板安装电容器2和其他的电子部件，由于上述引线端子部16的各端子16R、16S、16T、16U、16V、16W、16P、16N、16RB均为附加了高压电位的端子，在各个邻接的端子之间在确保绝缘距离的状态下排列。

此处，露出的多组引线端子部16的各端子16R、16S、16T、16U、16V、16W、16P、16N、16RB贯通主电路基板14内的贯通孔18被加上焊锡后，为了对从主电路基板14凸出的引线端子施加以绝缘强化，可以进行漆(varnish)处理，但对位于功率半导体模块10和主电路基板14之间的空间的引线端子部无法施加漆处理。电力变换装置的设置环境为设置有纤维加工机械等细尘和湿度较高环境条件的情况下，特别会产生在如图5所示露出的邻接的引线端子之间聚集细尘，进而，因细尘吸湿，使邻接的引线端子之间短路、电力变换装置破损的担心。

此外，由于电力变换装置一般而言为壁挂型结构，是垂直地安装在面板等铁板上的装置，多具有设置空间的制约，要求其非常小型化。因此，在本实施例中如上所述，通过使功率半导体模块10的引线端子中的16U、16V、16W与主电路端子座17附近的主电路基板14连接，使铜箔图案的配线距离非常短地配置功率半导体模块10的结构。

但是，由于装置设置后电力线容易与到端子座17连接，因而在壁挂的状态下将主电路端子座17配置在电力变换装置的装置下侧，上述结构实现了小型化，另一方面，设置在上述细尘和湿度较高的环境条件下时，会成为功率半导体模块10的引线端子16U、16V、16W之间容易聚集细尘的结构。

如上所述，图5中表示该细尘聚集的状态。此外，由于在功率半导体模块10的邻接的引线端子中配置在上述电力变换装置下侧的引线端子16V和16W之间的空间G1，吸湿后的细尘落下并蓄积，存在作为绝缘距离确保的空间距离层间短路、邻接的端子之间短路的危险性。

其中如图3所示，电力变换装置配置有主要部件，盖上盖13。此外为将功率半导体模块10搭载在冷却散热片12，在功率半导体模块10安装了主电路基板14的状态(图3)下，将作为绝缘物的树脂模具外壳13由上面与上述功率半导体模块配合的结构。

逆变器的框体尺寸，在容量较小的小型机种中多取决于功率半导体模块10的尺寸，功率半导体模块的引线端子部16的各端子16R、16S、16T、16U、16V、16W、16P、16N、16RB通过主电路基板14内的铜箔图案而与主电路端子座电连接。此外在本实施例中，对于为了装置的小型化，使从规定引线端子至主电路端子座的主电路基板内的铜箔图案的配线距离非常短地配置功率半导体模块的结构，如以上所说明。

因此，功率半导体模块的引线端子部，位于作为绝缘物的树脂模具外壳13的附近，引线端子部和树脂模具外壳13之间的距离为接近于密合的状态。这样的状态进一步增长了在细尘较多、湿度较高的环境条件下设置电力变换装置的情况下，引线端子部16的各端子之间聚集吸湿后的细尘的原因。

对鉴于上述课题的本发明在以下说明。

图6是表示本发明的功率半导体模块的细节的图。

在本实施例的功率半导体模块10中，在配置在主电路端子座17附近的露出的引线端子16U、16V、16W的上侧设置隔壁19。像这样通过从上侧覆盖上述引线端子地设置隔壁，即使电力变换装置为壁挂状态，由于吸湿后的细尘等聚集在设置在上述引线端子的上侧的隔壁19，能够避免露出的邻接的引线端子16U-16V之间以及16V-16W之间短路和电力变换装置破损的担心。

此外，图4右侧表示了该隔壁和功率半导体模块的引线端子16U、16V、16W的位置关系的概念。像这样使用电力变换装置时从上侧覆盖上述引线端子地设置隔壁。

其中，由于功率半导体模块10的引线端子部16的各端子贯通主电路基板14内的贯通孔18通过焊锡连接，使上述隔壁19的高度比引线端子16U、16V、16W的高度更低地设置。

此外，也可以在由功率半导体模块10的外壳露出的引线端子部16的各端子的邻接的端子之间设置凹陷的高低差20。通过设置该凹陷，由于细尘能够通过该凹陷，细尘不容易聚集在引线端子之间。

在本实施例中，在电力变换装置为壁挂的状态下，对于在功率半导体模块10的邻接的引线端子中与电力变换装置的下部连接的引线端子的附近设置隔壁一点进行了说明，但通过在由功率半导体模块露出的所有引线端子的附近同样设置隔壁也能够期待相同的效果。

即，由于在电力变换装置的下部水平地排列连接的引线端子更容易聚集细尘，本实施例的隔壁的效果较大，但沿纵向排列连接的引线端子也有可能聚集细尘引起端子之间的短路。或者，即使不是在电力变换装置的下部连接的引线端子，在水平方向排列连接的情况下，也同样有可能聚集细尘等。

从而，对于不限于如实施例1所示在电力变换装置的下部功率半导体模块连接的情况，并列在水平方向连接的情况，或者沿纵向排列连接的引线端子，只要具备覆盖功率半导体模块和主电路基板之间的空间的隔壁就能够防止如上所述的短路。其中，沿纵向排列连接的情况下，需要由横向覆盖地具备隔壁。

根据本实施例，通过在功率半导体模块的露出的引线端子的上侧设置隔壁，使其成为不聚集灰尘的结构，能够提供即使在纤维机械等细尘和湿度较高的环境中，也无需担心邻接的引线端子之间短路、电力变换装置破损的可靠性高的电力变换装置。

Claims (8)

1.一种电力变换装置，其特征在于，包括：

内置了功率半导体芯片的功率半导体模块；

对该功率半导体模块的热量进行散热的冷却散热片；

相对于所述功率半导体模块配置在与所述冷却散热片相反侧的主电路基板；和

在所述电力变换装置被使用的设置状态下设置在所述主电路基板上的竖直方向下侧的主电路端子座，

所述功率半导体模块所具有的、与所述主电路基板连接的引线端子中，规定的引线端子在所述主电路端子座的下侧与所述主电路基板连接。

2.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于：

具有，在所述电力变换装置被使用的设置状态下，设置在所述功率半导体模块与所述主电路基板之间，并从竖直方向上侧覆盖所述规定的引线端子的隔壁。

3.一种电力变换装置，其特征在于，包括：

内置了功率半导体芯片的功率半导体模块；

对该功率半导体模块的热量进行散热的冷却散热片；

相对于所述功率半导体模块配置在与所述冷却散热片相反侧的主电路基板；和

在所述电力变换装置被使用的设置状态下设置在所述主电路基板上的竖直方向下侧的主电路端子座，

所述功率半导体模块所具有的、与所述主电路基板连接的引线端子中，规定的引线端子在所述主电路端子座的附近与所述主电路基板连接。

4.如权利要求3所述的电力变换装置，其特征在于：

具有，在所述电力变换装置被使用的设置状态下，设置在所述功率半导体模块与所述主电路基板之间，并从竖直方向上侧覆盖所述规定引线端子的隔壁。

5.如权利要求4所述的电力变换装置，其特征在于：

在所述电力变换装置被使用的设置状态下，由所述隔壁覆盖的引线端子在所述主电路端子座的下侧与所述主电路基板连接。

6.一种电力变换装置，其特征在于，包括：

内置了功率半导体芯片的功率半导体模块；

对该功率半导体模块的热量进行散热的冷却散热片；和

相对于所述功率半导体模块配置在与所述冷却散热片相反侧的主电路基板，

在所述主电路基板上具有主电路端子座和平滑用的电容器，并设置了隔壁，在所述电力变换装置被使用的设置状态下，所述隔壁从上侧覆盖所述功率半导体模块所具有的、在水平方向上并排地与所述主电路基板相连接的引线端子。

7.如权利要求6所述的电力变换装置，其特征在于：

由所述隔壁覆盖的引线端子在所述主电路端子座的附近与所述主电路基板连接。

8.如权利要求6所述的电力变换装置，其特征在于：

在所述电力变换装置被使用的设置状态下，由所述隔壁覆盖的引线端子在所述主电路端子座的下侧与所述主电路基板连接。

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