CN103078534A - 允许减小尺寸且以降低的成本制造的电力变换器 - Google Patents

Abstract

公开了一种允许减小尺寸且以降低的成本制造的电力变换器。该电力变换器配备有由半导体模块构成的半导体堆、耦合到半导体模块的电力端子的汇流总线、电容器和输入端子台。电容器被布置成与半导体模块被堆叠的第一方向对准。电容器在第二方向上具有第一端部以及与第一端部相对的第二端部，在第二方向上电力端子从半导体模块延伸。第一端部面向第二方向。输入端子台位于电容器的第二端部的附近。该结构允许电力变换器减小尺寸且以降低的成本制造。

Description

允许减小尺寸且以降低的成本制造的电力变换器

技术领域

本申请总体上涉及一种电力变换器，该电力变换器配备有半导体模块和电容器，在半导体模块中制造有半导体装置并且电容器工作以使施加给半导体模块的电压平滑。

背景技术

图11至图13示出了传统的电力变换器9，如在日本专利首次公布第2009-5462号中所教导的，电力变换器9工作以执行DC（直流）电力与AC（交流）电力之间的电力变换。电力变换器9由安装有半导体装置的多个半导体模块92构成。每个半导体模块92包括电力端子920。半导体模块92和用于冷却半导体模块92的冷却管98被放置成彼此交叠以形成半导体堆910。半导体堆910与其它部件一起被布置在壳体96中。

电力端子920耦合到汇流总线93，汇流总线93由正汇流总线93a、负汇流总线93b和ac汇流总线93c构成。具体地，正汇流总线93a连接到dc电源（未示出）的正电极。负汇流总线93b连接到dc电源的负电极。ac汇流总线93c接合到ac负载。ac汇流总线93c具有安装在输出端子台913上的端子939，如图13所示。

如图11和图12所示，电力变换器9还配备有电容器94。电容器94工作以具有两个汇流总线连接器端子940和两个输入端子941。汇流总线连接器端子940分别耦合到正汇流总线93a和负汇流总线93b。输入端子941耦合到dc电源。电容器94工作以使施加给正汇流总线93a和负汇流总线93b的dc电压平滑。电容器94在电力端子920延伸的方向（即图11和图12中的Z方向）上位于邻近半导体堆910。

电容器94具有输入端子941，连接构件99接合到输入端子941用于连接到dc电源。连接构件99具有安装在输入端子台912上的端部990。使用螺栓（未示出）将dc电源的连接器端子（未示出）放置在端部990上并接合到端部990。通过开口960将螺栓插入到壳体96中。输入端子台912被布置成接近开口960以利于螺栓被紧固到输入端子台912中的便利。

然而，电力变换器9面临以下缺点。在Z方向上，输入端子台912被布置成远离电容器94，由此导致需要增加连接构件99在Z方向上的长度，这导致增加制造连接构件99时使用的金属材料的量以及电力变换器9的制造成本。

连接构件99的长度增加还导致连接构件99所占用的壳体96中的空间增大，从而增加了电力变换器9的整体尺寸。

发明内容

因此，本公开的目的是提供一种改进结构的电力变换器，该电力变换器易于以降低的成本制造并且允许减小其尺寸。

根据实施例的一个方面，提供了一种可以在诸如电动车或混合动力车的机动车辆中使用的电力变换器。该电力变换器包括：（a）半导体堆，其由多个半导体模块和多个冷却路径构成，每个半导体模块包括安装有半导体装置的主单元和从半导体模块延伸的电力端子，冷却路径具有流经该冷却路径的冷却介质以冷却半导体模块；（b）耦合到电力端子的多个汇流总线，所述汇流总线包括与直流电源的正电极连接的正汇流总线、与直流电源的负电极连接的负汇流总线、以及与交流负载连接的交流汇流总线；（c）电容器，其包括分别连接到正汇流总线和负汇流总线的第一汇流总线连接器端子和第二汇流总线连接器端子、以及连接到直流电源的第一输入端子和第二输入端子，电容器工作以使正汇流总线与负汇流总线之间形成的直流电压平滑；以及（d）输入端子台，其上安装有输入端子。

电容器被布置成与第一方向对准，在该第一方向上半导体模块被堆叠以形成半导体堆。电容器在第二方向上具有第一端部和与第一端部相对的第二端部，在该第二方向上电力端子从半导体模块延伸。第一端部面向第二方向。输入端子台位于电容器的第二端部附近。

在电力变换器的以上结构中，电容器被布置成在半导体模块被堆叠的第一方向上邻近半导体堆。换言之，不同于图11中的现有技术电力变换器9，电容器在电力端子延伸的第二方向上没有位于半导体堆的附近，由此允许减小电力变换器在第二方向上的尺寸或厚度。这为在第二方向上在电力变换器外部安装其它外围部件提供了增加的空间。

另外，输入端子台位于电容器的第二端部附近。换言之，输入端子台被布置成靠近电容器的这样的端部，该端部在第二方向上位于电容器的与电力端子相反的侧上，由此允许减小电容器的输入端子的长度。这消除了对诸如图11的现有技术电力变换器1的连接构件99的长连接器的需要，由此导致了电力变换器的制造成本降低并且还允许减小其尺寸。

电力变换器还可以包括框架、变换器壳体、框架夹持柱和电容器夹持柱。框架在其中保持半导体堆。变换器壳体在其中布置有框架和电容器。框架夹持柱和电容器夹持柱各自在冷却路径的纵向方向上从变换器壳体的内表面延伸并且被布置在框架与电容器之间。框架由框架夹持柱来夹持。电容器由电容器夹持柱来夹持。

具体地，由变换器壳体在其沿第一方向彼此相对的端部处支持框架和电容器中的每个。这确保将框架和电容器安装在变换器壳体中的稳定性并且还导致其抗震性的增加的程度。

框架夹持柱和电容器夹持柱可以由单个共用柱制成。这允许使框架夹持柱和电容器夹持柱的材料量最小。这导致电力变换器的制造成本和重量降低。

电力变换器还可以包括在第一方向上从变换器壳体的内表面延伸的柱。该柱在变换器壳体内限定第一腔和第二腔。半导体堆和电容器被布置在第一腔中。输入端子台被安装在第二腔中。共用柱具有在冷却路径的纵向方向上彼此相对的第一端部和第二端部。第一端部接合到变换器壳体。第二端部接合到该柱。换言之，共用柱的第二端部不需要在输入端子台附近延伸，由此消除了共用柱与输入端子台的物理干扰。

共用柱的第一端部接合到变换器壳体，而第二端部被紧固到该柱，使得共用柱被固定在其两个点处，由此导致共用柱的抗震性增加。

附图说明

从下文给出的详细描述和本发明的优选实施例的附图将更全面地理解本发明，然而，这不应被认为是将本发明限于具体实施例，而是仅用于说明和理解的目的。

在附图中：

图1是示出了根据第一实施例的电力变换器的平面视图；

图2是沿着图1中的线A-A截取的截面视图；

图3是沿着图2中的线C-C截取的截面视图；

图4是示出了图1的电力变换器的变换器壳体的平面视图；

图5是沿着图3中的线D-D截取的截面视图；

图6是示出了图1的电力变换器的电学结构的电路图；

图7是沿着图1的线B-B截取的放大视图；

图8是示出了安装在图1的电力变换器中的半导体模块的变型的透视图；

图9是示出了根据第二实施例的电力变换器的平面视图；

图10是示出了根据第三实施例的电力变换器的输入端子的结构的放大截面视图；

图11是示出了传统的电力变换器的横切截面视图；

图12是沿着图11中线E-E截取的截面视图；以及

图13是沿着图13中的线F-F截取的截面视图。

具体实施方式

参照附图，其中在若干视图中相似的附图标记表示相似的部件，具体参照图1至图8，示出了电力变换器1，电力变换器1可以被安装在诸如电动车辆或混合动力车辆的机动车辆中。电力变换器1配备有半导体堆10、多个汇流总线3、电容器4、以及输入端子台12。半导体堆10由多个半导体模块2和多个冷却管110构成。冷却管110在其中限定冷却路径11。

每个半导体模块2包括主单元21，在主单元21中制造有如图6所示的半导体装置。主单元22具有从其延伸的电力端子20。冷却介质或冷却剂18流经冷却路径11以从半导体模块2吸收热能。

汇流总线3被电耦合到每个半导体模块2的电力端子20。如图2清楚示出的，汇流总线3由正汇流总线3a、负汇流总线3b和ac汇流总线3c构成。具体地，正汇流总线3a连接到dc电源7的正电极，如图7所示。负汇流总线3b连接到dc电源7的负电极。ac汇流总线3c接合到ac负载70，如图6所示。

电容器4配备有如图5所示的两个汇流总线连接器端子40、以及如图1所示的两个输入端子41。汇流总线连接器端子40分别接合到正汇流总线3a和负汇流总线3b。输入端子41接合到dc电源7。电容器4工作以使正汇流总线3a与负汇流总线3b之间形成的dc电压平滑。

如图1清楚示出的，输入端子台12具有安装在其上的电容器4的输入端子41。在半导体模块2被放置成彼此交叠的方向（其还被称作X方向）上，电容器4位于邻近半导体堆10。换言之，在X方向上，以远离半导体堆10的给定间隔来布置电容器4。

如从图3和图7可见，电容器4在电力端子20的纵向方向（其还被称作Z方向）上具有彼此相对的端部。如用数字45表示的电容器4的一个端部面向与电力端子20从半导体模块2延伸的方向相反的方向。如图3和图7清楚示出的，输入端子台12位于靠近电容器4的端部45。

如图7所示，输入端子41由在Y方向上从电容器4的靠近端部45的部分延伸的带构成。输入端子41在其中形成了在Z方向上敞开的通孔410。螺母120被嵌入在输入端子台12中。每个输入端子41到dc电源7的连接器端子（未示出）的电气和机械接合是通过将连接器端子放在输入端子41上、将螺栓插入到孔410中并将螺栓拧紧到螺母120中而建立的。

如图2所示，每个半导体模块2配备有电力端子20和多个控制端子22。每个半导体模块20的电力端子20包括与正汇流总线3a连接的正端子20a、与负汇流总线3b连接的负端子20b、以及与ac汇流总线3c中的一个ac汇流总线连接的ac（交流）端子20c。控制端子22接合到控制电路板14。控制电路板14在其上制造了控制电路140，控制电路140工作以控制半导体模块2的切换操作，以将施加给正端子20a和负端子20b的dc电压变换成ac形式。控制电路140从ac端子20c输出ac电压。

如图6所示，电力变换器1配备有六个ac汇流总线3c。ac汇流总线3c具有三个连接端子30的两个集合，每个集合被安装在输出端子台13（13a和13b）上。具体地，在输出端子台13a和13b的每个上，安装了两个ac负载70（诸如电动马达）中的一个ac负载的连接端子（未示出）。

如图1所示，冷却管110通过连接管15接合在一起。冷却管110在半导体模块2的纵向方向（也就是，垂直于半导体模块2被堆叠的方向（即X方向））上延伸。冷却管110在X方向上的最外面的冷却管（也就是，冷却管110a）被接合到进口管14和出口管17，冷却剂18通过进口管14被加载到半导体堆10中，冷却剂18从出口管17被排出到半导体堆10的外部。在进入进口管16之后，冷却剂18通过连接管15被分配到所有冷却管110并从出口管17流出，由此吸收了半导体模块2所产生的热能，以冷却整个半导体堆10。

电力变换器1配备有基本矩形的金属框架5。金属框架5具有垂直于X方向延伸的两个端壁50a和50b。如图1和图3所示，弹性构件（即板弹簧19）被布置在端壁50a与半导体堆10的端部之间。板弹簧19弹性地推动半导体堆10以使其抵靠框架5的端壁50b，以将半导体堆10保持在框架5内。

电力变换器1还包括变换器壳体6，在变换器壳体6中布置有框架5和半导体堆10的组件、电容器4、输入端子台12、以及输出端子台13。如图4清楚示出的，变换器壳体6包括在冷却管110的纵向方向（即Y方向）上从变换器壳体6的内表面66延伸的框架夹持柱61和电容器夹持柱62。框架夹持柱61和电容器夹持柱62被布置在框架5与电容器4之间。

如图1和图3所示，框架5具有在X方向上从其相对的端部延伸的肋51和52。类似地，电容器4具有在X方向上从其相对的端部延伸的子肋46和47。框架5的一个端部上的肋51被栓接（bolt）到变换器壳体6。框架5的另一个端部上的肋52被栓接到框架夹持柱61。

电容器4的一个端部上的子肋46被栓接到电容器夹持柱62。电容器4的另一个端部上的子肋47被栓接到变换器壳体6。

框架夹持柱61和电容器夹持柱62由单个共用柱60制成。框架夹持柱61和电容器夹持柱62各自被成形为像板那样的形状。框架夹持柱61被定向成具有平行于Z方向延伸的法线，而电容器夹持柱62被定向成具有平行于X方向延伸的法线。具体地，共用柱60在其横切截面中具有L形以限定框架夹持柱61和电容器夹持柱62。

框架夹持柱61和肋62具有在Z方向上敞开的螺栓孔。肋51到框架夹持柱61的接合是通过将螺栓520插入到螺栓孔中并将六角帽螺母610紧固在螺栓520上来实现的。类似地，框架5的肋51具有在其中形成的螺栓孔。框架5到变换器壳体6的接合是通过插入螺栓520并将六角帽螺母610紧固在螺栓520上来实现的。

如图4可见，电容器夹持柱62具有端部625，端部625在Z方向上更远离控制电路板14，并且在端部625中形成了内螺纹620。电容器4的子肋46具有在Z方向上敞开的螺栓孔。子肋46到电容器夹持柱62的接合是通过将螺栓530插入到螺栓孔中并将其紧固到内螺纹620来实现的。类似地，电容器4的子肋47具有在其中形成的螺栓孔。子肋47到变换器壳体6的接合是通过将螺栓530插入到螺栓孔中并将它们紧固来实现的。

如图1所示，电力变换器1还包括纵向柱63，纵向柱63在半导体模块2被堆叠的X方向上从变换器壳体6的内表面66延伸。如图4所示，柱63在变换器壳体6内限定了第一腔S1和第二腔S2。在第一腔S1中，布置有半导体堆10和电容器4。在第二腔S2中，安装有输入端子台12和输出端子台13。共用柱60具有在Y方向上彼此相对的端部651和652。端部651接合到变换器壳体6。端部652接合到柱63。

如图2所示，变换器壳体6由以下两个部分构成：被栓接在一起的第一壳体6a和第二壳体6b。第一壳体6a具有朝向Z方向的开口68。第二壳体6b具有在Y方向上敞开的三个端子通孔67（67a、67b和67c），如图1所示。输入端子台12和输出端子台13位于开口68和端子通孔67附近。

电力变换器1到dc电源7的电接合（参见图7）是通过将dc电源7的连接端子（未示出）插入到端子通孔67a中、使螺栓穿过变换器壳体6的开口68并紧固螺栓以将连接端子和输入端子41接合在一起来实现的。类似地，电力变换器1到ac负载70的电接合（参见图6）是通过将ac负载70的连接端子插入到端子通孔67和67c中、使螺栓穿过开口68并紧固螺栓以将ac汇流总线3c的端子30和ac负载70的连接端子连接在一起来实现的。随后，盖69被紧固到盖壳体6以封闭开口68。

如图5清楚示出的，负汇流总线3b由主带350和梳齿351构成。主带350由金属板制成。梳齿351从主带350的侧延伸并与半导体模块2的负端子20b连接。正汇流总线3a的结构基本上与负汇流总线3b相同。正汇流总线3a和负汇流总线3b被耦合到电容器4的汇流总线连接器端子40。

下面将描述电力变换器1的电路。如图6可见，电力变换器1配备有九个半导体模块2。每个半导体模块2包括两个半导体装置23（例如，IGBT）和续流二极管24，每个续流二极管与半导体装置23中的一个半导体装置并联连接。半导体装置23被分成连接到正汇流总线3a的上臂半导体装置23a和连接到负汇流总线3b的下臂半导体装置23b。上臂半导体装置23a的集电极用作正端子20a。下臂半导体装置23b的发射极用作负端子20b。上臂半导体装置23a的发射极和下臂半导体装置23b的集电极连接到ac端子20c。正端子20a通过正汇流总线3a连接到dc电源7的正电极。负端子20b通过负汇流总线3b连接到dc电源7的负电极。ac端子30c通过ac汇流总线3c耦合到ac负载70（例如，三相电动马达）。

下面将描述电力变换器1的结构的操作和有益优点。

电容器4被布置成邻近与X方向对准的半导体堆10。换言之，不同于图11中的现有技术电力变换器9，电容器4在Z方向上没有位于半导体堆10的附近，由此允许减小电力变换器1在Z方向上的尺寸或厚度。这为在电力变换器1的厚度方向（即Z方向）上安装其它外围部件提供了增大的空间。

如图3和图7清楚示出的，输入端子台12被布置成靠近电容器4的端部45，端部45在Z方向上位于电容器4的与电力端子20相反的侧上。换言之，输入端子台12被布置在电容器4的附近，由此允许减小电容器4的输入端子41的长度。这消除了对诸如图11的现有技术电力变换器1的连接构件99的长连接器的需要，由此导致本实施例的电力变换器1的制造成本降低并且还允许减小其尺寸。

如图1和图3所示，本实施例的电力变换器1配备有框架夹持柱61和电容器夹持柱62。框架5被框架夹持柱61保持。电容器4被电容器夹持柱62保持。具体地，框架5和电容器4中的每个由变换器壳体6在X方向上彼此相对的其端部（即，肋51和52以及子肋46和47）处来支持。这确保框架5和电容器4安装在变换器壳体6中的稳定性，并且还导致其抗振性的增大的程度。

在电力变换器1被安装在诸如电动车辆或混合动力车辆的机动车辆中的情况下，在车辆行进期间通常会出现机械振动。因此，需要电力变换器1呈现较高程度的抗震性。用于紧固地夹持框架5和电容器4的变换器壳体6的以上结构在保护电力变换器1的部件在车辆的行进期间免受机械振动的方面是非常有效的。

框架夹持柱61和电容器夹持柱62由单个构件（即共用柱60）制成，由此允许使框架夹持柱61和电容器夹持柱62的材料量最小。这导致电力变换器1的制造成本和重量减小。

如图1所示，电力变换器1还包括纵向柱63，纵向柱63在半导体模块2被堆叠的堆叠方向（即X方向）上从变换器壳体6的内表面66延伸。共用柱60具有在Y方向上彼此相对的端部651和652。端部651接合到变换器壳体6。端部652接合到纵向柱63。换言之，共用柱60的端部652不需要在输入端子台12和输出端子台13附近延伸，由此消除了共用柱60与输入端子台12和输出端子台13的物理干扰。

如上所述，共用柱60的端部651接合到变换器壳体6，而端部652被紧固到纵向柱63，使得共用柱60被固定在其两个点处，由此导致共用柱60的抗震性增加。

如从以上讨论明白的，允许本实施例的电力变换器1的结构减小尺寸和制造成本。

如上所述，半导体堆10由被放置成彼此交叠的半导体模块2和冷却管110构成，但是其可以如图8示出的那样由多个冷却器/半导体模块29构建成，每个冷却器/半导体模块29由安装有半导体装置的单元21和框架28的组件制成。在X方向上，框架28的宽度大于单元21。单元21被布置在框架28内以限定形成冷却路径11的腔。

图9示出了第二实施例的电力变换器1。与第一实施例中采用的相同的附图标记表示相同的部件，并且这里将省略其详细说明。

输入端子台12被布置成在X方向上与电容器4对准。输入端子41在电容器4的与半导体堆10相反的侧上延伸并被安装在输入端子台12上。这种布置在下述情况下是有用的：其中鉴于与布置在电力变换器1周围的其它装置的物理干扰，难以在Y方向上邻近电容器4安装输入端子台12。

其它布置和操作与第一实施例中的布置和操作完全相同。

图10示出了第三实施例的电力变换器1，其在电容器4的输入端子41的配置方面不同于第一实施例的电力变换器。与第一实施例中采用的附图标记相同的附图标记表示相同的部件，并且这里将省略其详细说明。

电容器4具有两个输入端子41：第一输入端子41a和第二输入端子41b。第一输入端子41a在Z方向上被定位成远离电容器4的端部45。

第二输入端子41b通过形成在端子台12上的未示出的爪保持器被夹持在端子台12上。第一输入端子41a和第二输入端子41b通过紧固机构415（即本实施例中的螺栓和螺母）被接合在一起。

第二输入端子41b由第一部411、第二部412和第三部413形成。第一部411在Y方向上延伸并且接合到第一输入端子41a。第二部412在Z方向上从第一部411的一个端部延伸。第三部413在Y方向上从第二部412的另一个端部延伸。第三部413被安装在端子台12上。其它布置与第一实施例的电力变换器1的布置相同。

第三实施例的电力变换器1的以上结构被设计成使得电容器4的第一输入端子41a被定位成远离电容器4的端部45，由此导致设计电容器4的自由度增加。优选地使第二输入端子41b（即第二部412）在Z方向上的长度最小。例如，第二部412被成形以使得与第一部411成直角地延伸。这导致第二输入端子41b的金属材料的最小量，由此降低其制造成本并使电阻最小，电阻是在第二输入端子41b中产生热的因素。

虽然已经在优选实施例方面公开了本发明以利于更好地理解本发明，但是应理解在不背离本发明的原理的情况下能够以各种方式实施本发明。因此，本发明应被理解为包括：在不背离所附权利要求提到的本发明的原理的情况下能够实施的所有可能的实施例和对所示出的实施例的变型。

Claims (4)

1.一种电力变换器，包括：

半导体堆，其由多个半导体模块和多个冷却路径构成，每个所述半导体模块包括安装有半导体装置的主单元和从所述半导体模块延伸的电力端子，所述冷却路径具有流经所述冷却路径的冷却介质以冷却所述半导体模块；

耦合到所述电力端子的多个汇流总线，所述汇流总线包括与直流电源的正电极连接的正汇流总线、与所述直流电源的负电极连接的负汇流总线、以及与交流负载连接的交流汇流总线；

电容器，其包括分别连接到所述正汇流总线和所述负汇流总线的第一汇流总线连接器端子和第二汇流总线连接器端子、以及连接到所述直流电源的第一输入端子和第二输入端子，所述电容器工作以使所述正汇流总线与所述负汇流总线之间形成的直流电压平滑；以及

输入端子台，其上安装有所述输入端子，

其中，所述电容器被布置成与第一方向对准，在所述第一方向上所述半导体模块被堆叠以形成所述半导体堆，所述电容器在第二方向上具有第一端部和与所述第一端部相对的第二端部，在所述第二方向上所述电力端子从所述半导体模块延伸，所述第一端部面向所述第二方向；并且

其中，所述输入端子台位于所述电容器的所述第二端部附近。

2.根据权利要求1所述的电力变换器，还包括框架、变换器壳体、框架夹持柱和电容器夹持柱，所述框架在其中保持所述半导体堆，所述变换器壳体在其中布置有所述框架和所述电容器，所述框架夹持柱和所述电容器夹持柱各自在所述冷却路径的纵向方向上从所述变换器壳体的内表面延伸并且被布置在所述框架与所述电容器之间，并且其中，所述框架由所述框架夹持柱来夹持，并且所述电容器由所述电容器夹持柱来夹持。

3.根据权利要求2所述的电力变换器，其中，所述框架夹持柱和所述电容器夹持柱由单个共用柱制成。

4.根据权利要求3所述的电力变换器，还包括在所述第一方向上从所述变换器壳体的所述内表面延伸的柱，所述柱在所述变换器壳体内限定第一腔和第二腔，所述半导体堆和所述电容器被布置在所述第一腔中，所述输入端子台被安装在所述第二腔中，并且其中，所述共用柱具有在所述冷却路径的所述纵向方向上彼此相对的第一端部和第二端部，所述第一端部接合到所述变换器壳体，所述第二端部接合到所述柱。

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