CN102142783B - 电力转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够不用改变从平滑电容器模块到开关电源模块的距离地来抑制高度尺寸、从而实现紧凑化的电力转换装置。电力转换装置(1)包括：开关电源模块(10)，该开关电源模块(10)中内置有开关元件(24)和预驱动基板(22)，所述预驱动基板(22)具有驱动该开关元件(24)的驱动电路；平滑电容器模块(14)，使对所述开关电源模块(10)的输入变得平滑；以及散热器(12)，冷却所述开关电源模块(10)，其中构成为，将所述开关电源模块(10)载置于所述散热器(12)上，将所述平滑电容器模块(14)设置在所述散热器(12)的侧面。

Description

电力转换装置

技术领域

本发明涉及将从直流电源供给的直流电流转换成交流电流的电力转换装置，尤其涉及该电力转换装置的布局构造。

技术背景

近年来，在电车和汽车等车辆中搭载有电力转换装置，该电力转换装置用于将直流电源的直流电流转换成交流电流，并向作为驱动源的电动机等负载供给。图9中示出了现有的电力转换装置100的一个例子。电力转换装置100的结构是，具有构成为箱形的开关电源模块110，该开关电源模块110上搭载有能够进行大电流的开关的开关元件、和用于驱动该开关元件的驱动电路等，将该开关电源模块110载置于散热器112的上方。

而且，电力转换装置100具有平滑电容器模块114，该平滑电容器模块114用于抑制开关时的直流电源的电压变动，并使电压的跳变等变得平滑，该平滑电容器模块114以与开关电源模块110横向并列的方式载置于散热器112的上方(例如参照专利文献1)。

但是，由于不需要冷却平滑电容器模块114，而只需冷却开关电源模块110即可，因此，散热器112只要具有与该开关电源模块110相同程度的面积就已足够，但在现有的结构中，散热器112的载置面积却扩大了相当于可载置平滑电容器模块114部分的量。因此，成为在电力转换装置100的重量、成本、容积、高度尺寸的任一方面都会增长的设计。

因此，以往，提出了一种通过将平滑电容器模块114层叠配置在开关电源模块110的上方从而抑制散热器112的载置面的面积的电力转换装置(例如参照专利文献2)。

专利文献1：日本特开2004-104860号公报

专利文献2：日本特开2009-111435号公报

但是，若将平滑电容器模块114层叠配置在开关电源模块110的上方，则成为高度尺寸增长的设计。另外，由于从平滑电容器模块114到开关电源模块110的距离L变长，因此存在电感增加、在开关电源模块110的开关时产生的浪涌电压增加而成为开关电源模块110损坏的主要原因的问题。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的在于提供一种能够抑制从平滑电容器模块到开关电源模块的距离和高度尺寸从而实现紧凑化的电力转换装置。

为了达成上述目的，本发明的电力转换装置包括：开关电源模块，该开关电源模块中内置有开关元件、和驱动该开关元件的驱动电路；平滑电容器模块，使对所述开关电源模块的输入变得平滑；以及散热器，冷却所述开关电源模块，其特征在于，将所述开关电源模块载置于所述散热器上，将所述平滑电容器模块设置在所述散热器的侧面。

根据本发明，平滑电容器模块设置在散热器的侧面，因此，与将该平滑电容器模块载置于散热器的上方的布局结构相比，能够降低高度。而且，不需要在散热器上确保用于载置平滑电容器模块的面积，因此能够使散热器小型化，能够实现电力转换装置的体积、重量以及成本的降低。

另外，与将平滑电容器模块层叠配置在开关电源模块的上方的结构相比，不会延长从平滑电容器模块到开关电源模块的距离，因此能够抑制电感的增加。

本发明的特征还在于，在上述电力转换装置中，将所述平滑电容器模块的阳极和阴极朝向上下配置，在所述阳极上设置P相母线，在所述阴极上设置N相母线，在所述P相母线和所述N相母线上分别设置与所述开关电源模块连接的连接端子部，将这些连接端子部配置在所述阳极和所述阴极的中点。

根据本发明，当从阳极和阴极的中点观察时，P相母线和N相母线的布局对称，因此能够对P相母线和N相母线分别使用相同形状的部件，能够使用共同的金属模具，从而能够降低制造成本。另外，若从连接端子部观察时P相母线和N相母线为非对称，则有一方变大(从阳极、阴极到连接端子部的路径变长)的倾向，因此材料消耗增加，且材料收得率也恶化，并且连接端子部的电感会产生差异，但在本发明中，不会产生这样的材料收得率的恶化和电感的差异。

本发明的特征还在于，在上述电力转换装置中，所述平滑电容器模块包括：电容器单元、和收纳该电容器单元的壳体，在所述壳体上设置有供所述电容器单元插入的插入开口，并且，在所述壳体上设置有与该插入开口的深度方向平行地贯通的、对所述散热器紧固用的螺栓孔。

根据本发明，设置在壳体上的插入开口的深度方向与螺栓孔的贯通方向平行，因此，能够使通过金属模具成形该壳体时的该金属模具变得简单，能够抑制制造成本。

本发明的特征还在于，在上述电力转换装置中，在所述壳体上设置有定位保持凸部，所述定位保持凸部与所述插入开口的深度方向平行地突出，卡合并被保持在设于所述散热器的侧面的定位孔中。

根据本发明，设置在壳体上的插入开口的深度方向、上述螺栓孔的贯通方向、以及定位保持凸部的突出方向都平行，因此，能够使通过金属模具成形该壳体时的该金属模具变得简单，能够抑制制造成本。

而且，由于将定位保持凸部设置在壳体上，因此不需要另外临时固定平滑电容器模块的部件，能够进一步抑制制造成本。

发明的效果

根据本发明，平滑电容器模块设置在散热器的侧面，因此，与将该平滑电容器模块载置于散热器的上方的布局结构相比，能够降低高度。而且，不需要在散热器上确保用于载置平滑电容器模块的面积，因此能够使散热器小型化，能够实现电力转换装置的体积、重量以及成本的降低。

另外，与将平滑电容器模块层叠配置在开关电源模块的上方的结构相比，不会延长从平滑电容器模块到开关电源模块的距离，因此能够抑制电感的增加。

这里，构成为，当从平滑电容器模块的阳极和阴极的中点观察时，P相母线和N相母线的布局对称，因此，能够对P相母线和N相母线分别使用相同形状的部件，能够使用共同的金属模具，从而能够降低制造成本。另外，若从连接端子部观察时P相母线和N相母线为非对称，则有一方变大(从阳极、阴极到连接端子部的路径变长)的倾向，因此材料消耗增加，且材料收得率也恶化，并且连接端子部的电感会产生差异，但通过成为对称，而不会产生这样的材料收得率的恶化和电感的差异。

另外，将平滑电容器模块构成为包括电容器单元、和收纳该电容器单元的壳体，并且构成为，在所述壳体上设置使所述电容器单元插入的插入开口，并设置与该插入开口的深度方向平行地贯通的、对所述散热器紧固用的螺栓孔，由此，能够使通过金属模具成形该壳体时的该金属模具变得简单，能够抑制制造成本。

另外构成为，在所述壳体上设置有定位保持凸部，所述定位保持凸部与所述插入开口的深度方向平行地突出，卡合并被保持在设于所述散热器的侧面的定位孔中，由此，设置在壳体上的插入开口的深度方向、上述螺栓孔的贯通方向、以及定位保持凸部的突出方向都平行，能够使通过金属模具成形该壳体时的该金属模具变得简单，能够抑制制造成本。而且，由于将定位保持凸部设置在壳体上，因此不需要另外临时固定平滑电容器模块的部件，能够进一步抑制制造成本。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的电力转换装置的构成的图，图1(A)是俯视图，图1(B)是主视图，图1(C)是侧视图。

图2是电力转换装置的分解立体图。

图3是电力转换装置的电路图。

图4是将壳体从开关电源模块拆下后的状态的电力转换装置的侧视图。

图5是图4所示的电力转换装置的装配图。

图6是平滑电容器模块的立体图。

图7是平滑电容器模块的侧视图。

图8是表示电容器单元的结构的立体图。

图9是表示现有的电力转换装置的一个例子的图。

附图标记说明

1、100  电力转换装置

3  直流电源

5  三相感应电动机

10、110  开关电源模块

12、112  散热器

14、114  平滑电容器模块

20  半导体模块

20A  封装体

22  预驱动基板

23  输入输出端子

24  开关元件

40  顶板

41  散热片

45  电容器

47  直流输入端子

48  交流输入输出端子

50  壳体

54  电容器单元

56  插入开口

57  定位保持凸部

58  螺栓孔

60  定位孔

70  电容器元件

70A  阳极

70B  阴极

71  P相母线

72  N相母线

75N、75P连接端子部

B  中点

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

图1是表示本实施方式的电力转换装置1的结构的图，图1(A)是俯视图，图1(B)是主视图，图1(C)是侧视图。另外，图2是电力转换装置1的分解立体图，图3是电力转换装置1的电路图。

电力转换装置1是车载用的装置，用于将搭载在电车或汽车等车辆上的直流电源3(图3)的直流电流转换成交流电流，并向搭载在该车辆上的作为动力源的三相感应电动机5(图3)供给而将其驱动，如图1所示，电力转换装置1包括：开关电源模块10、散热器12以及平滑电容器模块14。

开关电源模块10是收纳有进行直流/交流转换的电路的模块。如图2所示，该开关电源模块10具有由上罩16和下罩18构成的箱形的壳体19，在该壳体19中配置有包括三相逆变电路30(图3)的半导体模块20、以及预驱动基板22，所述预驱动基板22上安装有用于驱动该三相逆变电路30的电路。

上罩16用于防止垃圾和灰尘进入到半导体模块20和预驱动基板22的电路部分，另外，下罩18覆盖半导体模块20的周围，使其与外部绝缘。另外，在下罩18的外侧面上设置有用于连接车辆的三相感应电动机5的输入输出端子23。这些上罩16及下罩18由具有耐热性和绝缘性的树脂材料形成。

如图3所示，三相逆变电路30构成为包括：相互串联连接的两个开关元件24、和分别与这些开关元件24反向并联连接的续流二极管25。串联连接的两个开关元件24的一端侧的节点N1连接在直流电源3的正极侧，另一端的节点N2连接在负极侧，由此，两个开关元件24的连接点N3成为交流输出的一相端子。为了得到驱动三相感应电动机5所需的三相交流输出，在三相逆变电路30中并联地设置有三组相互串联连接的两个开关元件24，由各组的连接点N3构成三相交流输出端子。在这些连接点N3上设置有用于反馈控制等的电流传感器26。另外，可以在开关元件24中使用IGBT、MOSFET等。

如图2所示，三相逆变电路30按交流输出的每一相电路划分而被封装成三个封装体20A，将这些封装体20A横向并列设置而构成上述半导体模块20。各封装体20A将安装有上述两个开关元件24、续流二极管25以及电流传感器26的交流输出一相的电路基板31收纳在壳体32中，并用树脂材料33将电路基板31密封。在各封装体20A的一个侧面上设置有与上述节点N1、N2对应的一对直流输入端子47，另外，在相反侧的侧面上设置有与上述连接点N3对应的交流输入输出端子48，各封装体20A以使直流输入端子47朝向相同侧的方式配置在散热器12上。

另外，下罩18的底面开口，在将各封装体20A配置在散热器12上时，该下罩18直接被螺纹固定在该散热器12上而被冷却。

如图3所示，预驱动基板22构成为包括：门驱动电路35、和驱动控制部36，驱动控制部36具有用于对高压微型计算机及该预驱动基板22的各部分供给电力的电源电路。

门驱动电路35是使三相逆变电路30的各开关元件24开关动作的电路。高压微型计算机根据搭载在车辆侧的发动机ECU(electroniccontrol unit：电子控制单元)37输出的控制信号来驱动门驱动电路，由此，与车辆侧的控制相应地驱动三相感应电动机5。

如图2所示，该预驱动基板22以覆盖横向并列地配置于散热器12上的各封装体20A整体的方式被螺纹固定在下罩18上，并通过针状的连接部38与这些封装体20A电连接。下罩18被预先螺纹固定在散热器12上的规定位置，散热器12使预驱动基板22的连接部38卡合在各封装体20A的规定的连接器上，由此，完成预驱动基板22的定位。

如图1和图2所示，散热器12构成为在顶板40的下表面设置有多个散热片41，并且，散热器12构成为通过使螺栓贯穿于设在顶板40的四个角上的螺栓固定用孔部43中，从而能够固定在车辆上。关于这些顶板40和散热片41的材质，只要导热性良好，且能够实现可耐受开关电源模块10和平滑电容器模块14的重量的刚性，则可以使用任何材质。

如上所述，在顶板40的上表面固定有开关电源模块10(更确切地说，是下罩18和各封装体20A)，顶板40作为该开关电源模块10的安装座而被使用。如图1所示，顶板40的上表面尺寸是与开关电源模块10的壳体19的底面大致相同的尺寸，具有供其底面整体接触所需的足够大小。

另外，为了使各封装体20A的各自的冷却能力均等，如图2所示，以在相对于各封装体20A的排列方向大致正交的方向上形成冷却风的风道的方式排列散热片41。

如图3所示，平滑电容器模块14具有在三相逆变电路30的输入端与直流电源3并列地设置的电容器45，该平滑电容器模块14对该三相逆变电路30开关时的直流电源3的电压变动进行抑制，使电压的跳变等变得平滑。

图4是在散热器12上组装了半导体模块20和平滑电容器模块14的电力转换装置1的侧视图，图5是该电力转换装置1的装配图。

平滑电容器模块14构成为具有箱形的壳体50，该壳体50在横向并列地配置于散热器12上的各封装体20A的范围内延伸，如图4所示，平滑电容器模块14被螺纹固定在半导体模块20的直流输入端子47所排列的一侧的散热器12的顶板40的侧面。

由于平滑电容器模块14设置在散热器12的侧面，因此与将该平滑电容器模块14载置于散热器12的上方的布局结构相比，能够降低高度。而且，不需要在散热器12的顶板40上确保用于载置平滑电容器模块14的空间，因此能够使散热器12小型化，能够实现电力转换装置1的体积、重量以及成本的降低。

图6是平滑电容器模块14的立体图，图7是平滑电容器模块14的侧视图。另外，图8是表示被收纳在平滑电容器模块14中的电容器单元54的构成的立体图。

如图6所示，平滑电容器模块14构成为，在侧面设置有插入开口56的箱形的壳体50中，以使连接端子部75N、75P从插入开口56突出的状态收纳有电容器单元54，并用树脂材料55密封。在该壳体50上设置有N相母线52N和P相母线52P，该N相母线52N和P相母线52P在延伸方向端部具有与直流电源3连接的端子51N、51P。这些N相母线52N和P相母线52P的另一端的端子76N、76P以与一组连接端子部75N、75P重叠的方式设置，并与这些连接端子部75N、75P一同被紧固固定在直流输入端子47上。而且，在插入开口56的两侧分别设置有定位保持凸部57和螺栓孔58。另一方面，如图5所示，在散热器12的顶板40的侧面设置有供定位保持凸部57嵌合的定位孔60、和供贯穿壳体50的螺栓孔58的紧固螺栓62螺合的紧固螺栓孔61。

在将平滑电容器模块14组装到散热器12上时，使壳体50的插入开口56与散热器12的顶板40的侧面相对，并将定位保持凸部57嵌入并保持在定位孔60中，在该状态下，通过紧固螺栓62将壳体50从该顶板40的侧方紧固到顶板40上。

壳体50由金属模具成形，在上述组装构造中，壳体50的插入开口56的脱模方向(深度方向)、定位保持凸部57的延伸方向、以及使紧固螺栓62贯穿的螺栓孔58的贯通方向相同，因此能够使成形该壳体50的金属模具简单化，从而能够降低成本。

另外，由于将定位保持凸部57设置在壳体50上，因此不需要其他的使该平滑电容器模块14相对于顶板40定位的部件，从而能够进一步降低成本。

除此之外，在将平滑电容器模块14组装到散热器12上时，通过使壳体50的定位保持凸部57嵌入并保持在定位孔60中，从而能够将其临时固定在规定的位置上，并能够防止该平滑电容器模块14的脱落，因此能够提高生产性。并且，由于不需要设置用于另外进行该临时固定的部件，因此能够抑制制造成本。

另外，相对于半导体模块20的各封装体20A的螺纹固定用的孔位于散热器12的上面的情况，平滑电容器模块14的紧固螺栓孔61位于散热器12的侧面，因此，在进行图5所示的装配时，即使平滑电容器模块14的紧固螺栓62脱落，也不会混入到封装体20A内，因此能够提高制造可靠性。

这里，如图4所示，由于平滑电容器模块14与基于散热器12的散热片41的冷却风的流通方向A正交地配置，因此，平滑电容器模块14的下端14A越浸入散热片41中，就越堵塞冷却风流路，从而损害冷却能力。因此，在本结构中，将平滑电容器模块14的下端14A固定在与散热器12的顶板40的底面大致相同的高度位置X上，从而不会堵塞冷却风流路。

如图8所示，在平滑电容器模块14的电容器单元54中，将多个电容器元件70排成一列连续设置，并以横断各个电容器元件70的方式安装有作为阳极导体的P相母线71和作为阴极导体的N相母线72。各电容器元件70以使阳极70A和阴极70B朝上下方向的姿态连续设置，另外，在各个N相母线72和P相母线71上，从电容器单元54的侧面水平延伸而形成有与半导体模块20之间的连接端子部75N、75P。

在本结构中，如图4所示，连接端子部75N、75P分别设置在电容器元件70的高度方向的大致中点B，由此，P相母线71和N相母线72的布局成为相对于电容器元件70(从中点B观察)对称，因此能够对P相母线71和N相母线72分别使用相同形状的部件，能够使用共同的金属模具，从而能够降低制造成本。而且，若P相母线71和N相母线72的布局相对于电容器元件70为非对称，则有一方变大(从阳极70A、阴极70B到连接端子部75N、75P的路径变长)的倾向，因此材料消耗增加，材料收得率也恶化，并且，还会使连接端子部75N、75P的电感产生差异，但在本实施方式中，不会产生这样的材料收得率的恶化和电感的差异。

如图4所示，虽然在平滑电容器模块14的连接端子部75N、75P上连接有半导体模块20的直流输入端子47，但是通过将平滑电容器模块14固定在散热器12的侧面，从而能够将这些连接端子部75N、75P与直流输入端子47相对地配置，由此，能够缩短从平滑电容器模块14到半导体模块20的配线路径长度。尤其是，以使连接端子部75N、75P的高度位置成为与半导体模块20的直流输入端子47大致相同的高度位置的方式，将平滑电容器模块14固定在散热器12的侧面，能够使从平滑电容器模块14到半导体模块20的配线路径长度L(图4)最短。由此，能够降低平滑电容器模块14与半导体模块20之间的寄生电感，降低半导体的开关浪涌，从而能够提高半导体可靠性，并实现降低损失。

另外，即使在将平滑电容器模块14的连接端子部75N、75P固定在与半导体模块20的直流输入端子47大致相同高度的位置上的情况下，也能够以使平滑电容器模块14的下端14A成为与散热器12的顶板40的底面大致相同的高度位置的方式，设计平滑电容器模块14的高度尺寸，从而不会产生由平滑电容器模块14堵塞散热器12的冷却风流路的情况。

这样，根据本实施方式，由于构成为将平滑电容器模块14设置在散热器12的侧面，因此与将该平滑电容器模块14载置于散热器12上方的布局结构相比，能够降低高度。而且，由于不需要在散热器12的顶板40上确保用于载置平滑电容器模块14的空间，因此能够使散热器12小型化，实现电力转换装置1的体积、重量以及成本的降低。

另外，与将平滑电容器模块14层叠配置于开关电源模块10上方的结构相比，不会延长从平滑电容器模块14到开关电源模块10的距离，因此能够抑制电感的增加。

另外，根据本实施方式，构成为将平滑电容器模块14的阳极70A和阴极70B朝向上下配置，并将分别设在N相母线72和P相母线71上的连接端子部75N、75P配置在阳极70A和阴极70B的中点。由此，P相母线71和N相母线72的布局在从中点B观察时为对称状态，因此能够对P相母线71和N相母线72分别使用相同形状的部件，能够使用共同的金属模具，从而能够降低制造成本。另外，若从连接端子部75N、75P观察时N相母线72和P相母线71为非对称，则有一方变大(从阳极70A、阴极70B到连接端子部75N、75P的路径变长)的倾向，因此材料消耗增加，且材料收得率也恶化，并且连接端子部75N、75P的电感也会产生差异，但在本结构中，不会产生这样的材料收得率的恶化和电感的差异。

另外，根据本实施方式，构成为在平滑电容器模块14的壳体50上设置使电容器单元54插入的插入开口56，并与该插入开口56的深度方向平行地设置对散热器12紧固用的螺栓孔58。

根据该结构，设置在壳体50上的插入开口56的深度方向与螺栓孔58的贯通方向平行，因此，能够使通过金属模成形该壳体50时的该金属模具变得简单，从而能够抑制制造成本。

另外，根据本实施方式，构成为在壳体50上设置有定位保持凸部57，该定位保持凸部57与插入开口56的深度方向平行地突出，卡合并被保持在设置在散热器12的侧面的定位孔60中。

根据该结构，设置在壳体50上的插入开口56的深度方向、上述螺栓孔58的贯通方向、以及定位保持凸部57的突出方向都平行，因此能够使通过金属模具成形该壳体50时的该金属模具变得简单，从而能够抑制制造成本。

再有，由于将定位保持凸部57设置在壳体50上，因此不另外需要将平滑电容器模块14临时固定的部件，从而能够进一步抑制制造成本。

另外，上述实施方式只不过是本发明的一个形态，在不超出本发明的技术思想的范围内能够进行任意的变形和应用。

在上述实施方式中，作为电力转换装置的一个例子，对车载型的装置进行了例示，但不限于此，也可以搭载在飞机、船舶等其他机构上。

另外，作为电力转换装置而例示了进行直流/交流转换的装置，但不限于此，例如也可以构成交流/直流转换。

另外，作为电力转换装置所驱动的电动机的一个例子而例示了三相感应电动机，但不限于此，也可以是连接并驱动其他电动机的结构。

Claims (2)

1.一种电力转换装置，包括：开关电源模块，该开关电源模块中内置有开关元件、和驱动该开关元件的驱动电路；平滑电容器模块，使对所述开关电源模块的输入变得平滑；以及散热器，冷却所述开关电源模块，其特征在于，

将所述开关电源模块载置于所述散热器上，将所述平滑电容器模块设置在所述散热器的侧面，

将所述平滑电容器模块的阳极和阴极朝向上下配置，在所述阳极上设置P相母线，在所述阴极上设置N相母线，在所述P相母线和所述N相母线上分别设置与所述开关电源模块连接的连接端子部，将这些连接端子部配置在所述阳极和所述阴极的中点。

2.一种电力转换装置，包括：开关电源模块，该开关电源模块中内置有开关元件、和驱动该开关元件的驱动电路；平滑电容器模块，使对所述开关电源模块的输入变得平滑；以及散热器，冷却所述开关电源模块，其特征在于，

将所述开关电源模块载置于所述散热器上，将所述平滑电容器模块设置在所述散热器的侧面，

所述平滑电容器模块包括：电容器单元、和收纳该电容器单元的壳体，

在所述壳体上设置有供所述电容器单元插入的插入开口，并且，在所述壳体上设置有与该插入开口的深度方向平行地贯通的、对所述散热器紧固用的螺栓孔，

在所述壳体上设置有定位保持凸部，所述定位保持凸部与所述插入开口的深度方向平行地突出，卡合并被保持在设于所述散热器的侧面的定位孔中。

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