CN101807863B - 功率变换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率变换装置。在使用电容器安装板的功率变换装置中提高电容器与印刷布线板图案之间的绝缘性能，并且实现布线的低阻抗化。该功率变换装置具有连接整流部和逆变器部的直流链路部，所述直流链路部具备安装有由多个电容器串联连接以及并联连接而成的平滑电路的印刷布线板，所述印刷布线板具备：负极图案，设置在绝缘基板的上表面侧，用来构成所述直流链路部的负极；正极图案，设置在所述绝缘基板的下表面侧，用来构成所述直流链路部的正极；以及中间电极图案，与该正极图案并排设置，并且构成所述串联连接的电容器的中间连接电极，所述负极图案仅形成在所述串联连接的电容器中连接在所述直流链路部的负极侧的电容器的投影面上。

Description

功率变换装置

技术领域

本发明涉及一种功率变换装置，尤其是涉及一种设置在直流链路部的平滑电容器的安装结构。

背景技术

在具备连接整流部和逆变器部的直流链路部的功率变换装置中，在直流链路部设置有电容器，作为该等电容器的安装结构，例如已知有由专利文献1和专利文献2公开的方案。专利文献1和专利文献2公开了实现功率变换装置整体结构小型化的方法，具体来说是，在由专利文献1公开的伺服放大器以及由专利文献2公开的逆变器装置中，在印刷基板等的导体板上设置多个小型电容器，由此来减小布线阻抗，从而实现功率变换装置整体结构的小型化。

专利文献1日本国专利特开2003-219661公报

专利文献2日本国专利特开2006-197735公报

作为设置在功率变换装置的直流链路部中的平滑电容器，大多采用电解电容器。尤其是作为安装在印刷基板等的导体板上的电容器，大多采用具有自立型基板的铝电解电容器。但是，在具有自立型基板的铝电解电容器中，有时会出现铝制壳体与负极连接并且电位与负极相同的情况。铝电解电容器的壳体表面形成有印刷用的涂膜等，但由于该涂膜等不是绝缘用的涂膜，所以在因接触等而产生伤痕或者发生了经时性老化等情况时，可能导致壳体表面裸露出来。

此外，在印刷基板上也覆盖有防止布线图案(wiring pattern)生锈用的涂膜，但由于该涂膜也不是用于绝缘的涂膜，所以与所述铝电解电容器的壳体的涂膜一样，可能因伤痕或者经时性老化等而导致壳体表面裸露出来。因此，需要确保具有自立型基板的铝电解电容器的铝制壳体与印刷基板的布线图案之间的绝缘保护。尤其是，在功率变换装置的直流链路部的电位上升时，从耐电压的观点出发，将电容器设置成串联连接的结构，但由于要形成一侧的电容器的正极与另一侧的电容器的负极相连接的形态，所以各个铝制壳体具有不同的电位。此时，会导致基板图案变得复杂。

对于上述问题，在专利文献1中，通过在导体板的表面形成由绝缘体构成的涂膜来实现导体板与电解电容器之间的绝缘。作为所述绝缘的方法，采用了用树脂等进行模塑的方法以及铺设绝缘片等的方法，从而不可避免地会导致劳力和作业时间增加，以及导致成本增加。

在专利文献2中公开了在印刷布线板上设置多个电容器的示例。一般来说，在安装有电容器的印刷布线板中，通过叠层图案能够大幅度降低布线的阻抗。但是，在专利文献2中没有涉及到任何与如何进行印刷布线板的图案与电解电容器之间的绝缘处理有关的问题。

发明内容

本发明是鉴于现有技术中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该功率变换装置使用在印刷布线板上设置有多个电容器的电容器安装板，能够提高电容器与印刷布线板上的图案之间的绝缘性能，并且能够实现布线的低阻抗化。

为了实现上述目的题，本发明采用了如下的方法。

提供一种功率变换装置，所述功率变换装置具备整流部、逆变器部以及直流链路部，所述整流部使插入各相的开关元件进行开关动作，由此将接受到的交流电变换为直流电，所述逆变器部通过使插入各个相位的开关元件进行开关动作而将从交流电变换来的直流电变换为交流电，并且将该交流电提供至负载，所述直流链路部连接所述整流部和逆变器部，在所述功率变换装置中，所述直流链路部具备印刷布线板，该印刷布线板上安装有将由2个电容器串联连接而成的电容器组并联连接多个、并且串联连接的电容器的中间点彼此连接而成的平滑电路，所述印刷布线板具备负极图案、正极图案以及中间电极图案，所述负极图案设置在绝缘基板的上表面侧，用来构成所述直流链路部的负极，所述正极图案设置在所述绝缘基板的下表面侧，用来构成所述直流链路部的正极，所述中间电极图案与该正极图案并排设置，并且构成所述串联连接的电容器的中间连接电极，所述负极图案，形成在所述串联连接的电容器中连接在所述直流链路部的正极侧的电容器所投影的区域以外的部分。

发明效果

本发明由于具有以上结构，所以能够提高电容器与安装该电容器的印刷布线板之间的绝缘性能，并且能够实现布线的低阻抗化。

附图说明

图1是本发明的实施方式所涉及的功率变换装置的说明图。

图2是图1的侧视图(箭头所示方向的剖面图)。

图3是图1所示的印刷布线板的电路图。

图4是图2的一部分(虚线部分)的放大图。

图5是表示印刷布线板的图案中的电流分布的模拟结果的示意图。

图6是表示图1所示的布线导体的图案中的电流分布的模拟结果的示意图。

图7是现有技术中的印刷布线板的说明图。

图8是现有技术中的印刷布线板的布线导体图案的示例的说明图。

符号说明

1 安装有电容器的印刷布线板(电容器板)

2p1～2p8 连接在直流链路部的P侧的电容器

2n1～2n8 连接在直流链路部的N侧的电容器

3R  R相开关元件

3S  S相开关元件

3T  T相开关元件

3U  U相开关元件

3V  V相开关元件

3W  W相开关元件

4P  P侧布线导体

4N  N侧布线导体

5 绝缘体

具体实施方式

以下参照附图对优选实施方式进行说明。图1是本发明的实施方式所涉及的功率变换装置的说明图。如图1所示，安装有电容器的印刷布线板(电容器板)1具备：安装在印刷布线板上的电容器2p1～2p8、2n1～2n8、PWM整流器侧的开关元件3R、3S、3T以及逆变器侧的开关元件3U、3V、3W。

图2是从箭头(A)所指方向观察图1的印刷布线板时所观察到的侧视图(箭头所示方向的剖面图)，如图2所示，在印刷布线板1与开关元件之间设置有P侧布线导体4P和N侧布线导体4N。

图3是图1所示的印刷布线板的电路图，整流器的开关元件3R、3S、3T以及逆变器侧的开关元件3U、3V、3W通过直流链路部连接，直流链路部的正极侧(P侧)与印刷布线板1的P极图案和P侧布线导体4P连接，直流链路部的负极侧(N侧)与印刷布线板1的N极图案以及N侧布线导体4N连接。

考虑到直流链路部的电压值较大的场合，电容器2p1～2p8、2n1～2n8采用串联连接来确保耐电压性，具体来说是，在印刷布线板1中，例如采用将电容器2p1的负极侧与电容器2n1的正极侧连接，电容器2p2的负极侧与电容器2n2的正极侧连接···的方式进行串联连接，由此来确保耐电压性。并且，通过将多个电容器并联连接来确保静电容量(图1的第一实施例采用了2串联8并联的结构)。此外，串联连接的各个电容器的中间点互相连接在印刷布线板1的中间点图案(C极图案)上。

如此，通过将多个小型的电容器进行串联连接和并联连接，能够降低每个电容器的单位高度(图1中的与图纸垂直的方向上的长度)。此外，由于能够减小单体重量，所以能够简化电容器的支撑部分。

如图3所示，作为整流器侧的开关元件3R、3S、3T以及逆变器侧的开关元件3U、3V、3W，使用了在1个设备内安装有2个开关元件的所谓二合一方式(2in1 type)的开关元件，并且如图1所示，该等开关元件相对于印刷布线板1的中心以线对称的方式设置。

在二合一方式的开关元件中，通常包括集电极端子(与正极(P)侧连接的端子)、发射极端子(与负极(N)侧连接的端子)以及交流侧端子。在图1的示例中，基板中心侧的端子为集电极端子，中央的端子为发射极端子，基板外侧的端子为交流侧端子。如图1所示，通过设置开关元件，能够使连接在PWM整流器以及逆变器的开关元件底部的未图示的散热器或者散热管等冷却装置实现通用化，具有能够实现小型化和低成本化的效果。并且，在更换开关元件时，只需在安装有电容器的印刷布线板的端子部分连接开关元件便可，因此具有能够减少更换作业所需的劳力和作业时间的效果。此外，图1所示的印刷布线板1被构造成正面以及背面均能够使用的双面基板。

图4是图2的虚线部分的放大图。在印刷布线板中，电容器侧的面(图2中的印刷布线板1的上侧面)的布线图案(斜线部分)为构成直流链路部的N侧的N极图案。此外，在电容器2p1～2p8的下部不设置布线图案，基板的坯板面(没有形成导体图案的树脂面)裸露在外部。

这样设置的理由是，即使在使用电容器的铝制壳体连接在负极上的基板自立型电解电容器作为电容器时，也能够确保电容器壳体与印刷布线板1的布线图案之间的绝缘。也就是说，在图1的示例中，由于电容器2n1～2n8的负极的电位与N侧图案的电位相同，所以在铝制壳体与N侧图案之间不产生电位差，但是，由于电容器2p1～2p8的负极与电容器2n1～2n8的正极连接，所以在电容器2p1～2p8的铝制壳体与N侧图案之间产生与电容器2n1～2n8的电位相应的电位差。

铝电解电容器的壳体表面上覆盖有印刷用的涂膜等，但由于该涂膜等不是绝缘用的涂膜，所以因接触等而产生伤痕时或者发生了经时性老化等时，可能会导致壳体表面裸露出来。此外，在印刷基板上也覆盖有防止布线图案生锈用的涂膜，但由于该涂膜也不是用于绝缘的涂膜，所以与所述铝电解电容器的壳体表面的涂膜一样，因伤痕或者经时性老化等而可能导致壳体表面裸露出来。

在现有技术中，为了确保绝缘，例如在图7所示的基板面上插入有绝缘板或绝缘片等的绝缘体5。但是，如图1所示，在设置有电容器2的一侧的表面，电容器2p1～2p8的下部没有铺设布线图案，通过使基板的坯板面裸露在外部，使得不需要插入绝缘体就能够确保绝缘。

但是，在采用上述结构时，由于在电容器侧的表面的电容器2p1～2p8的下部不存在图案，所以在正极层(P极图案)与中间电极层(C极图案)之间以及正极层(P极图案)与负极层(N极图案)之间几乎无法获得布线图案的叠层效果。在此，叠层效果是指，通过构造成使互为逆向的电流在叠层的布线图案之间流过，使得各流过的电流所产生的磁通量互相抵消，从而能够降低布线路径上的阻抗这一效果。

因此，在将图1所示的印刷布线板1作为单体使用时，布线路径上的阻抗会增大到无法忽视的程度。其结果，例如在U相开关元件3U进行了开关动作时，附近的电容器2p1、电容器2n1的充电放电路径因为布线路径短，所以阻抗不高。但是电容器2p8、电容器2n8的充电放电路径因为布线路径长，所以阻抗很高。为此，流入和流出电容器的电流量(电荷的提供量)之间会产生大的偏差，可能导致电容器的使用寿命下降，或者使得电容器损坏。

因此，在图1的示例中，在印刷布线板1与开关元件之间设置了P侧布线导体4P和N侧布线导体4N。隔着未图示的绝缘体等，使P侧布线导体4P和N侧布线导体4N相互靠近地叠层设置，如此，通过上述的叠层效果，能够实现布线路径的低阻抗化。

也就是说，如图1的示例所示，通过采用将印刷布线板1、P侧布线导体4P以及N侧布线导体4N电并联连接的结构，在任意一个开关元件进行了开关动作时，流出或流入电容器的电流的大部分首先通过距离各个电容器最近的开关元件的端子部分，然后再通过布线抗阻较小的P侧布线导体4P、N侧布线导体4N留出或流入进行了开关动作的开关元件。其结果，流入和流出各个电容器的电流量的偏差减小，从而具有能够抑制会导致电容器的使用寿命下降等的不良影响的效果。

图5表示图1的示例中的印刷布线板1的图案以及电流分布的模拟结果。其中，图5(a)表示印刷布线板1的靠近电容器一侧的面(图2中的印刷布线板1的上侧面)的图案，在该面上仅形成有N极图案。此外，图中的以虚线表示的圆是电容器2p1～2p8、2n1～2n8的投影部分

在印刷布线板1的电容器一侧基板面，连接在直流链路的P侧的电容器2p1～2p8所投影的区域上没有设置N极图案，其被设置成印刷基板的坯板面(没有形成导体图案的绝缘体面)。另一方面，连接在直流链路的N侧的电容器2n1～2n8所投影的区域被构造成铺设有N极图案或者N极图案的一部分的结构，电容器2n1～2n8的负极端子与N极图案连接。

图5(b)表示印刷布线板的靠近开关元件侧的面(图2的印刷布线板1的下侧面)的图案，在该面形成有C极图案以及P极图案，各个图案分开设置，彼此之间保持有绝缘距离。C极图案上连接有电容器2n1～2n8的正极端子以及电容器2p1～2p8的负极端子，P极图案上连接有电容器2p1～2p8。

描绘在图5(a)和图5(b)的基板面上的线表示在U相开关元件3U进行了开关动作时在U相元件发射极端子以及U相元件集电极端子之间观察到的电流分布，也就是通过电磁场模拟计算出的从电容器2p1～2p8、2n1～2n8提供的电流的分布。

具体来说是，线之间的间距窄的部分表示电流密度高。从图5(a)和图5(b)可以知道，在流出和流入电容器2p1～2p8、2n1～2n8的电流中，靠近U相开关元件3U的电容器2p1、2n1的电流稍多，但基本上均匀地流动。此外，图5(a)和图5(b)是开关动作刚结束时的处于过渡状态的模拟结果，所以在经过一定时间而形成稳定状态后，均衡性进一步增加。又，从图5(a)和图5(b)可以知道，流入或者流出电容器2p1～2p8、2n1～2n8的电流，无论U相开关元件3U是否进行开关动作，均从各个电容器流入最近的开关元件的端子。

图6表示图1的示例中的布线导体的图案以及电流分布的模拟结果。图6(a)是表示图1的N侧的布线导体4N的图，图6(b)是表示图1中的P侧的布线导体4P的图。

各个布线导体4N、4P相互邻近叠层，尤其是当P侧的布线导体4P投影到N侧的布线导体4N上时可以知道，大部分处于重叠在一起的状态。此外，在各个布线导体的中央部分，各导体部分完全叠层在一起。

如图6(a)和图(b)所示，流入或者流出各个元件的端子的电流(流入或者流出图5的印刷布线板的电流)通过中央部分的叠层部分后流入U相开关元件3U。各个导体基板的叠层部分的电流的彼此朝着相反的方向流动，所以，所产生的磁通量互相抵消，从而能够降低阻抗。

也就是说，在图5中，流入或者流出电容器2p1～2p8、2n1～2n8的电流流入到最近的开关元件的端子，这一因素也起到了使导体基板的阻抗变得极小的效果，可以说，导体基板的低阻抗化对流入各个电容器的电流的均衡化做出了积极的贡献。如此，由于能够防止电流过度地集中到某个电容器中，从而能够提高电容器的使用寿命。

如果只采用图5所示的印刷布线板的结构，则无法得到图案的叠层效果，因此，在距离开关元件较远的位置上的电容器中，布线路径的阻抗增大。但是，在使用了图6所示的叠层的布线导体的结构中，由于路径经过最近的元件端子，所以能够实现低阻抗化。

由此，能够抑制因积累在阻抗中的能量而在开关元件进行开关动作时产生的电压跳跃现象。因此，具有能够减少保护用缓冲电路的数量的效果。由于该效果，在印刷布线板1如图7的现有技术那样本身具有叠层效果的场合下，能够使电流经过印刷布线板1的图案而在低阻抗的路径上流动，从而能够实现低阻抗化。此时，没有必要像图8所示的现有技术中的布线导体图案的示例那样，使布线导体具有叠层效果，布线导体中只有低频的电流分量(主电流分量)流过。

也就是说，本发明的特征之一是能够简化印刷布线板与电容器壳体之间的绝缘，并且能够减少确保绝缘所需的绝缘体。此外，在图1的示例中，在布线导体内流过的是低频率电流分量(主电流分量)以及流入和流出电容器且受到阻抗影响的高频率的电流分量，这一点也是本发明的特征之一。

此外，在图6(a)的N侧布线导体中，在布线导体的上下方向(长度方向)的端部，设置有连接左右端的电流路径，使得能够将电流导入U相开关元件。由此，能够缓和电流在元件端子附近集中的现象。并且，图6(b)的场合也一样，通过延长布线导体的上下方向(长度方向)的长度，能够扩大与P侧布线导体之间的叠层部分，具有能够进一步实现低阻抗化的效果。

另外，在图5中，以采用两面基板来实施的结构为例进行了说明，而本实施方式的要点是印刷布线板的靠近电容器一侧的面上具有N极图案，并且该图案的至少一部分仅仅位于连接在直流链路部的N侧的电容器2n1～2n8的下方，只要满足这一条件，则当然也可以使用多层基板来作为印刷布线板。又，在图6中，P极的布线导体被形成为横向宽度小于N极的布线导体的横向宽度的形状，其中重要的是通过叠层来增大重叠部分的面积，所以当然也可以通过在P极的布线导体上开设通孔而将P极的布线导体形成为大小与N极的布线导体相同的形状等。进而，在图1的示例中以使用PWM整流器和逆变器的系统作为前提进行的说明，但由于平滑电容器串联连接的形态是本发明的特征之一，所以当然可以通过使用二极管整流器和直流电源来代替PWM整流器而获得相同的效果。

如上所述，根据本发明的实施方式，具备在印刷布线板上安装有多个小型的电容器的印刷布线板以及叠层结构的布线单体，在所述印刷布线板中，靠近电容器一侧的面上的主要布线图案被构造成动率变换器的直流链路部的N极图案，靠近开关元件一侧的面上的主要布线图案被构造成直流链路部的P极图案以及串联连接的电容器的中间点图案(C极图案)。此外，构造成在与直流链路部的P侧连接的电容器的下部在电容器一侧的表面不存在布线图案的结构，以及与印刷布线板并列地设置叠层结构的布线导体的结构。如此，由于将布线导体构造成叠层结构，所以流出和流入电容器的电流通过电容器附近的元件端子流入布线导体，从而能够实现低阻抗化。如此，不仅能够提高电容器与安装该电容器的印刷布线板的图案之间的绝缘性能，能够减少为确保绝缘性能而使用的绝缘体，并且还能够实现布线路径的低阻抗化。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不仅限于上述实施方式，不言而喻，本发明在不改变其宗旨的范围内可以有各种变形的实施方式。

Claims (6)

1.一种功率变换装置，具备：

整流部，使插入各相的开关元件进行开关动作，由此将接受到的交流电变换为直流电；

逆变器部，通过使插入各个相位的开关元件进行开关动作而将从交流电变换来的直流电变换为交流电，并且将该交流电提供至负载；以及

直流链路部，连接所述整流部和逆变器部，

所述功率变换装置的特征在于，

所述直流链路部具备印刷布线板，该印刷布线板上安装有将由2个电容器串联连接而成的电容器组并联连接多个、并且串联连接的电容器的中间点彼此连接而成的平滑电路，

所述印刷布线板具备：

负极图案，设置在绝缘基板的上表面侧，用来构成所述直流链路部的负极；

正极图案，设置在所述绝缘基板的下表面侧，用来构成所述直流链路部的正极；以及

中间电极图案，与该正极图案并排设置，并且构成所述串联连接的电容器的中间连接电极，

所述负极图案，形成在所述串联连接的电容器中连接在所述直流链路部的正极侧的电容器所投影的区域以外的部分。

2.一种功率变换装置，具备：

整流部，使插入各相的开关元件进行开关动作，由此将接受到的交流电变换为直流电；

逆变器部，通过使插入各个相位的开关元件进行开关动作而将从交流电变换来的直流电变换为交流电，并且将该交流电提供至负载；以及

直流链路部，连接所述整流部和逆变器部，

所述功率变换装置的特征在于，

所述直流链路部具备：

印刷布线板，该印刷布线板上安装有将由2个电容器串联连接而成的电容器组并联连接多个、并且串联连接的电容器的中间点彼此连接而成的平滑电路；

P侧布线导体，将构成整流部以及逆变器部的开关元件的正极端子彼此连接起来；以及

N侧布线导体，将构成整流部以及逆变器部的开关元件的负极端子彼此连接起来，

所述印刷布线板具备：

负极图案，设置在绝缘基板的上表面侧，用来构成所述直流链路部的负极；

正极图案，设置在所述绝缘基板的下表面侧，用来构成所述直流链路部的正极；以及

中间电极图案，与该正极图案并排设置，并且构成所述串联连接的电容器的中间连接电极，

所述负极图案，形成在所述串联连接的电容器中连接在所述直流链路部的正极侧的电容器所投影的区域以外的部分，与所述正极图案连接的所述P侧布线导体和与负极图案连接的所述N侧布线导体，以彼此重叠的方式叠层地设置。

3.根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，

所述印刷布线板采用双面基板结构，使直流电位分压的电容器采用2串联结构，所述印刷布线板的电容器侧基板面的主要布线图案是电位与直流电位的负极侧相同的布线图案，所述印刷布线板的另一面的主要布线图案是电位与直流电位的正极侧相同的布线图案以及电位与直流电位的中间点相同的布线图案。

4.根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，

作为逆变器部以及整流部工作的半导体设备被构造成在单独的设备中具有2个半导体开关的结构，作为所述逆变器部工作的半导体设备以及作为所述整流部工作的半导体设备被设置成相对于安装有所述多个电容器的印刷布线板的中心呈线对称状态，以分压方式连接的电容器中连接在直流电位的负极侧的电容器设置在所述印刷布线板的端部，而连接在直流电位的正极侧的电容器则设置在所述印刷布线板的中央部分。

5.根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，

作为逆变器部工作的半导体设备和作为整流部工作的半导体设备被构造成在单独的设备中具有2个半导体开关的结构，作为所述逆变器部工作的半导体设备以及作为所述整流部工作的半导体设备被设置成相对于安装有所述多个电容器的印刷布线板的中心呈线对称状态，并且，分别与位于所述整流部和所述逆变器部之间的链路部分中的正极和负极连接的布线导体设置在所述印刷布线板与所述半导体设备之间，并且在所述布线导体的各自的端部附近与所述半导体设备连接，此外，所述各个布线导体的中央部分以叠层方式设置。

6.根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，

分别与所述整流部和所述逆变器部之间的链路部分中的正极和负极连接的布线导体互相叠层，在彼此相对向的面中，至少一方的布线导体的外形为长方形，并且，在长方形的边中的一侧的长边的端部附近设置有与作为逆变器部工作的半导体设备相连接的端子，在长方形的边中的另一侧的长边的端部附近设置有与作为整流部工作的半导体设备相连接的端子，此外，在比所述端子中设置在长方形的短边侧的端子更靠近端部侧的位置上，设置有能对整流部和逆变器部进行电连接的路径。

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