CN103354971A - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明中，存储直流电的滤波电容器(12)、与进行开关动作的半导体元件模块通过层压母线电连接，其中，该开关动作用于将该滤波电容器(12)中存储的直流电转换成交流电。层压母线具有第1母线及第2母线(16b)，该第1母线及第2母线(16b)隔着绝缘物层叠有多个连接导体，第2母线(16b)上设有散热部(22、24)，该散热部(22、24)通过使各平板面中的一部分导体部露出而得以形成。

Description

功率转换装置
技术领域
本发明涉及一种功率转换装置。
背景技术
在容量比较大的功率转换装置中，为了对施加在断开的开关元件上的浪涌电压进行抑制，努力寻求做到以下两点：不仅要尽可能降低主电路的电感分量，还要尽可能地降低包含半导体元件模块与滤波电容器之间的电感分量在内的整体的电感分量。因此，在现有的功率转换装置中，大多采用使用层叠母线、以作为半导体元件模块与滤波电容器之间的连接导体的结构，该层叠母线隔着绝缘物在多个导体间层叠而成。
此外，利用例如树脂制薄膜的层压材料将层叠母线的外部表面覆盖而成的层压母线即为具有代表性的层叠母线的一种。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2008-245451号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，由于层压材料的热传导率较低，因此使用层压材料的层压母线中将产生如下问题：由半导体元件模块产生的热量容易通过热传导率较高的连接导体而被传导至滤波电容器，使得滤波电容器的温度上升。因此，难以将使用了不耐热的电介质的滤波电容器与半导体元件模块之间的电气性距离减小到某一定值以下，因此减小电感分量方面将受到限制。
本发明鉴于上述情况而得以完成，其目的在于提供一种功率转换装置，在抑制滤波电容器的温度上升的同时，还能进一步减小滤波电容器与半导体元件模块之间的电感分量。
解决技术问题所采用的技术方案
为了解决上述问题并达成目的，本发明所涉及的功率转换装置利用层压母线将存储直流电的滤波电容器、与进行开关动作的半导体元件模块电连接，其中，该开关动作用于将该滤波电容器中存储的直流电转换成交流电，所述层压母线隔着绝缘物将多个连接导体相层叠，并且，除所述半导体元件模块以及与所述滤波电容器的各接合部以外的一部分区域上具有通过露出导体部而得以形成的散热部。
发明效果
根据本发明的功率转换装置，能够在抑制滤波电容器的温度上升的同时，进一步减小滤波电容器与半导体元件模块之间的电感分量，从而起到效果。
附图说明
图1是表示两级功率转换装置中的主电路的结构的图。
图2是表示构成实施方式1所涉及的功率转换装置的主电路的、开关元件与滤波电容器上的直流端子之间的连接状态的图。
图3是表示从车辆上方观察实施方式1所涉及的功率转换装置的内部时的主视图。
图4是表示从车辆上方观察作为功率转换装置的一部分的逆变器控制部以及散热器时的立体图。
图5是从车辆上方观察元件部时的立体图。
图6是从车辆下方观察滤波电容器时的立体图。
图7是图6的A-A线剖视图。
图8是图6的B-B线剖视图。
图9是图6的C-C线剖视图。
图10是将实施方式2所涉及的层压母线的结构表示到图7的剖视图上的图。
图11是将实施方式2所涉及的层压母线的结构表示到图8的剖视图上的图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式所涉及的功率转换装置进行说明。此外，本发明并不由以下示出的实施方式来限定。
实施方式1
图1是表示两级功率转换装置中的主电路的结构的图。图1中，具有正极(P)及负极(N)的电位的滤波电容器110的直流端子之间连接有半导体元件模块101～106。更具体而言，正极(P)与负极(N)之间串联连接有构成正侧臂的半导体元件模块101以及构成负侧臂的半导体元件模块102，半导体元件模块101、102的连接点被引出，形成U相交流(AC)端子。同样的，正极(P)与负极(N)之间串联连接有构成正侧臂的半导体元件模块103以及构成负侧臂的半导体元件模块104，半导体元件模块103、104的连接点被引出，形成V相交流端子，正极(P)与负极(N)之间串联连接有构成正侧臂的半导体元件模块105以及构成负侧臂的半导体元件模块106，半导体元件模块105、106的连接点被引出，形成W相交流端子。这些半导体元件模块101～106进行开关动作，以将存储在滤波电容器110中的直流电转换成交流电。
半导体元件模块101具有IGBT111、以及与IGBT111反向并联连接的续流二极管(以下记作“FWD”)112，IGBT111的集电极与FWD112的阴极相连、形成端子C1，IGBT111的发射极与FWD112的阳极相连、形成端子E1。另外，半导体元件模块102具有IGBT121、以及与IGBT121反向并联连接的FWD122，IGBT121的集电极与FWD122的阴极相连、形成端子C2，IGBT121的发射极与FWD122的阳极相连、形成端子E2。
图2是表示构成实施方式1所涉及的功率转换装置的主电路的、开关元件与滤波电容器上的直流端子之间的连接状态的图。图1是以通常的电路图的形式来表示的图，与此相对，图2是以接近实际配置的形式来表示的连接图。
如图2所示，在使连接导体107、与连接导体108平行且靠近配置时，流过连接导体107、108的电流方向相反，其中，连接导体107将滤波电容器110的正侧直流端子(P)与半导体元件模块101的端子C1相连接，连接导体108将滤波电容器110的负侧直流端子(N)与半导体元件模块102的端子E2相连接。即，连接导体107、108形成平行且靠近配置的往返路径。在逆向的电流流过这样的往返路径时，由这些逆向的电流产生的磁场也逆向，因此磁场将互相抵消，使得滤波电容器110与半导体元件模块101之间的电感分量变小。此外，通过利用平行平板导体来构成连接导体107、108，并尽量减小这些导体间的距离D，从而能够大幅度地减小滤波电容器110与半导体元件模块101之间的电感分量。此外，利用这种动作原理所构成的结构即为后述的层压母线。
接下来，参照图3及图4对实施方式1所涉及的功率转换装置的结构进行说明。图3是表示将实施方式1所涉及的功率转换装置搭载到铁道车辆时的一个结构例的图，是从车辆上方向轨道一侧观察搭载在铁道车辆上的功率转换装置1的内部时的主视图，图4是从车辆上方观察作为功率转换装置的一部分的逆变器控制部以及散热器时的立体图。
功率转换装置1包括：栅极控制单元2、断流器·I/F单元3、逆变器控制部4、以及散热器5。另外，逆变器控制部4包括：栅极驱动电路10、滤波电容器12、以及元件部14。此外，在实际的车辆搭载状态下，除散热器5以外，栅极控制单元2、断流器·I/F单元3、以及逆变器控制部4收容于壳体6内，并与外界气体相阻隔。另一方面，散热器5安装在壳体6的外部，并与外界气体相接触，根据需要也可以利用冷风来进行冷却。
元件部14是包含图1、2中说明的多个半导体元件模块的结构部。栅极控制单元2是生成对元件部14的半导体元件模块进行PWM驱动所需要的控制信号的结构部。断流器·I/F单元3是具有阻断流过主电路的电流的功能、以及在栅极控制单元2与栅极驱动电路10之间收发信号的功能的结构部。栅极驱动电路10是基于由栅极控制单元2生成的控制信号来驱动元件部14的半导体元件模块的结构部(驱动电路)。滤波电容器12是存储电力转换所需的直流电的结构部(供电源)。
滤波电容器12与元件部14通过层压母线16进行电连接。层压母线16具有：第1母线16a，该第1母线16a形成为平板状并将元件部14的直流侧端子相连接；以及第2母线16b，该第2母线16b形成为曲柄状并将滤波电容器12的直流侧端子相连接。第1母线16a与元件部14的开关元件相连，第2母线16b与滤波电容器12的直流端子(P端子、N端子)相连。
图5及图6是将第1母线16a与第2母线16b分离后的立体图。更具体而言，图5是从车辆上方观察元件部14时的立体图，图6是从车辆下方观察滤波电容器12时的立体图。
如上所述，层压母线16所使用的层压材料的热传导率较低。因此，元件部14所产生的热量容易通过热传导率较高的连接导体再传递至滤波电容器12。另一方面，在实施方式1的功率转换装置中，如图5及图6所示，使导体在第1母线16a、16b的一部分区域内露出。
更具体而言，如图5所示，在第1母线16a上，粗框所示的部位是散热部(散热区域)20，在该部位上不设置层压材料而使导体部露出。此外，散热部20避开与双圆圈表示的元件部的接合点，另外，若在这些接合点与露出的导体之间的绝缘距离不会产生问题的范围内、尽可能地扩大该露出区域，则散热效果将更佳。
如图6所示，在第2母线16b上，粗框所示的部位是散热部22、24，使导体在该部位的一部分区域露出。另外，上述散热部22、24与第1母线16a相同，避开与双圆圈或三圆圈表示的滤波电容器12的接合点，并在这些接合点与露出的导体之间的绝缘距离不会产生问题的范围内、尽可能地扩大该露出区域。此外，散热部24设置于第2母线16b上弯曲成曲柄状的部位上，并在两面均设有散热区域。
此外，在图5及图6的示例中，设置矩形区域、以作为散热部20、22、24，但散热部并不局限于是矩形区域，可以是任何形状。另外，在第2母线16b上，在弯曲成曲柄状的部位的两面设置散热区域、以作为散热部24，在使用电压与绝缘距离所允许的范围内，也可以在散热部22的背面一侧(滤波电容器12一侧)设置散热区域。这一点对于第1母线16a也相同。此外，上述散热部20、22、24只要是采用露出层压母线16的导体部的结构即可，无论采用何种制造方法。例如，在分别构成由层压材料覆盖的第1母线16a、16b以后，也可以剥去所需要的部位上的层压材料，来露出导体部。
由于导体部在上述散热部20、22、24上露出，因此由元件部14所产生的热量容易通过上述散热部20、22、24散出至外空间。另外，第1母线16a以及第2母线16b均被配置成各自的平板面均朝向垂直方向，因此散热部20、22、24的散热效果将得到提高，从而产生效果。
另外，图7～图9是表示滤波电容器12与第2母线16b之间的端子接合部的结构的图，图7是图6的A-A线剖视图，图8是图6的B-B线剖视图，图9是图6的C-C线剖视图。
滤波电容器12的负侧直流端子(N端子)34与上部导体30相连的结构如图7所示，对于夹持绝缘片材32、并由层压材料33覆盖的上部导体30及下部导体31，仅由上部导体30与导体连接端子36a、36b相连接，并经由这些导体连接端子36a、36b与负侧直流端子34相连。
另外，滤波电容器12的正侧直流端子(P端子)35与下部导体31相连的结构如图8所示，仅由下部导体31与导体连接端子38a、38b相连接，并经由这些导体连接端子38a、38b与正侧直流端子35相连。
另外，如图9所示，在与A-A线剖面以及B-B线剖面正交的C-C线剖面上，上部导体30与下部导体31经由导体连接端子36b、38b、36c、38c相互连接，并与规定的负侧直流端子34及正侧直流端子35相连。
此外，图7～图9所示的母线具有一对连接导体经由绝缘物相层叠的结构，但也可以采用具有三个以上的连接导体、并在各个连接导体间夹持绝缘物的结构。
接下来，对将第1母线16a及第2母线16b的平板面配置成沿垂直方向的效果进行说明。首先，在设想散热体是立方体的情况下，对于冷却效率，立方体的侧面优于立方体的上表面。对于侧面的情况，由来自散热体的散出热量而被升温的空气沿着侧面上升，在此处，来自下方的新鲜冷空气将不断被补充，因此，因自然对流而将产生空气流。另一方面，在上表面上，由来自散热体的散出热量而被升温的空气上升，此处的空气必须从侧面来补充。然而，对于上表面，为将来自侧面的空气导向上表面，必须沿直角方向来改变空气流，因而需要因自然对流而产生的上升力以外的力。也就是说，能不受阻碍地活用因自然对流而产生的上升力的不是上表面而是侧面，因而侧面的冷却效率比上表面要高。
此外，在本实施方式中，以将功率转换装置搭载到铁道车辆上的情况为一个示例进行了说明，但在将功率转换装置搭载到铁道车辆上的情况下，必须将功率转换装置收纳在车体下部有限的空间内，收纳散热器5以外部分的壳体的大小有限制，因此功率转换装置不能太大。因此，尽量避免在壳体内设置风扇等，而本实施方式的技术能促进因自然对流而产生的冷却效果，这一点非常有效。
另一方面，即使对于将功率转换装置设置在地面上的情况，本申请的技术、即、使层压母线的平板面上的一部分导体部露出，也具有降低向不耐热的物体的热传导量的效果，从而抑制了该物体温度的上升，并减小了电感分量，由此起到效果。由此，即使出于例如结构上的理由，不将层压母线的所有平板面或一部分平板面配置成沿垂直方向，也能利用例如由风扇等产生的自然对流以外的冷风，来得到足够的散热效果。
由此，在本实施方式的功率转换装置中，将作为散热体的元件部与不耐热物体即滤波电容器相连接的层压母线的平板面上的一部分导体部露出，因此能够在由元件部产生的热量到达滤波电容器之前将一部分热量释放。其结果是，能够减小传递到滤波电容器上的热量，与现有的功率转换装置相比能缩短层压母线的长度，因此能进一步减小元件部与滤波电容器之间的电感分量。
另外，在本实施方式的功率转换装置中，层压母线上的整个平板面被配置成沿垂直方向，因此导体部露出的部位为沿垂直方向(即重力方向)的面，由此能有效地利用因自然对流而产生的散热效果(冷却效果)。
实施方式2
在实施方式1中，所说明的实施方式通过使层压母线的平板面上的一部分导体部露出，来降低能传递到滤波电容器的热量，在实施方式2中，将对通过提高向外部的散热量、来进一步降低能传递到滤波电容器的热量的实施方式进行说明。
图10及图11是说明实施方式2所涉及的层压母线的结构的图。如这些图所示，在实施方式2中，在第2母线16b上的散热部22上设置有散热片42。此外，图10及图11是将散热片42设置到图6的散热部22上的一个示例，但也可以将散热片42设置到第1母线16a上的散热部20上。通过该结构，促进了在层压母线上的散热部20、22的散热，增大散热量。其结果是，与实施方式1相比，能进一步减小要到达滤波电容器的热量，从而得到能进一步缩短层压母线的效果。
此外，如图10及图11所示，在实施方式2中，揭示了在第二母线16b的散热部上设置散热器的结构，但也可以在第1母线16a的散热部上设置散热器。
另外，对实施方式1进行了说明，在剥离第1母线16a上的结构物一侧时，也可以在空间所允许的范围内，也在该散热部上设置散热器。
实施方式3
实施方式3中，对搭载在元件部14上的开关元件进行说明。作为搭载在元件部14上的开关元件，一般采用将硅(Si)作为原材料的半导体晶体管元件(IGBT、MOSFET等)、与同样将硅作为原材料的半导体二极管元件反向并联连接的结构。
另一方面，上述实施方式1、2的技术并不局限于以硅为原材料而形成的开关元件。当然也能适用于将近年备受注目的碳化硅(SiC)取代上述硅作为原材料的开关元件。
这里，碳化硅具有能在高温下使用的特征，因此如果搭载在元件部14上的开关元件以碳化硅为原材料，则能够使半导体元件模块的容许动作温度向高温侧提升，因此能够提高载波频率。然而，在提高了载波频率的情况下，元件部14的散热量增多，使得滤波电容器12的温度上升，从而产生问题。因此，难以忽视滤波电容器12的温度上升的问题而单纯地进行提高载波频率的控制。
如上所述，根据实施方式1、2所涉及的技术，能够减小能传递到滤波电容器12的热量，因此即使是随着载波频率的提高而使得由元件部14发出的热量增多的情况，也能解决滤波电容器12的温度上升的问题。即，即使利用以碳化硅为原材料的开关元件来提高载波频率，也能减小元件部14与滤波电容器12之间的电感分量，并且，即使在电感分量增加的情况下，也能在抑制电感分量增加的同时，解决滤波电容器12的温度上升的问题。
此外，碳化硅(SiC)具有带隙比硅(Si)要大的特性，基于该点，即为被称作宽带隙半导体的半导体的一个示例。除了上述碳化硅以外，例如使用氮化镓类材料、或者金刚石而得以形成的半导体也属于宽带隙半导体，其特性与碳化硅有较多的相似点。因此，使用碳化硅以外的其它宽带隙半导体的结构也在本发明的技术思想内。
另外，由这种宽带隙半导体形成的晶体管元件或二极管元件的耐电压特性较强，且容许电流密度也较高，因此能使晶体管元件或二极管元件小型化，通过使用这些经小型化以后的晶体管元件或二极管元件，能使安装有这些元件的半导体模块小型化。
另外，由宽带隙半导体形成的晶体管元件或二极管元件的耐热性较强，因此能使散热器或冷却器小型化，从而能使功率转换装置进一步变小。
此外，由宽带隙半导体形成的晶体管元件或二极管元件的功率损耗较小，因此能提高开关元件或二极管元件的效率，最终能提高半导体元件模块的效率。
此外，上述实施方式1～3所示出的结构是本发明的结构的一个示例，也可以与其它公知技术相结合，在不脱离本发明的技术思想的范围内进行变更也是毋庸置疑的，例如省略其中一部分等。
工业上的实用性
如上所述，本发明的功率转换装置能够在抑制电容器的温度上升的同时，进一步减小滤波电容器与半导体元件模块之间的电感分量，从而起到效果。
标号说明
1      功率转换装置
2      栅极控制单元
3      断流器·I/F单元
4      逆变器控制部
5      散热器
6      壳体
10     栅极驱动电路
12、110                       滤波电容器
14                            元件部
16                            层压母线
16a                           第1母线
16b                           第2母线
20、22、24                    散热部
30                            上部导体
31                            下部导体
32                            绝缘片材
33                            层压材料
34                            负侧直流端子
35                            正侧直流端子
36a、36b、36c、38a、38b、38c  导体连接端子
42                            散热片
101～106                      半导体元件模块
107、108                      连接导体

Claims (8)

1.一种功率转换装置，其特征在于，
存储直流电的滤波电容器、与进行开关动作的半导体元件模块通过层压母线电连接，其中，该开关动作用于将该滤波电容器中存储的直流电转换成交流电，
所述层压母线隔着绝缘物层叠有多个连接导体，并在除所述半导体元件模块以及与所述滤波电容器的各接合部以外的一部分区域中，具有通过露出导体部而得以形成的散热部。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
所述散热部上的导体露出面是沿着垂直方向的面。
3.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
所述散热部上的导体露出面形成于所述层压母线的平板面上。
4.如权利要求3所述的功率转换装置，其特征在于，
所述层压母线的所有平板面均包括沿着垂直方向的面。
5.如权利要求4所述的功率转换装置，其特征在于，
所述层压母线包括：与所述半导体元件模块电连接的第1母线、以及与所述滤波电容器电连接的第2母线，并且，这些第1、第2母线构成为独立的母线。
6.如权利要求1至5中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，
所述散热部的一部分或所有散热部上设有散热片。
7.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
搭载在所述半导体元件模块上的开关元件由宽带隙半导体形成。
8.如权利要求7所述的功率转换装置，其特征在于，
所述宽带隙半导体是使用了碳化硅、氮化镓类材料、或金刚石的半导体。
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