CN103378713A - 电力转换设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电力转换设备，包括：半导体模块和形成有控制电路的电路板。每个半导体模块包括电连接至电路板的信号端子。每个半导体模块的信号端子成一直线地布置以形成沿着第一方向的端子列。半导体模块分组成上臂半导体模块和每个都连接至上臂半导体模块中相应的一个的下臂半导体模块。作为上臂半导体模块的端子列的上臂端子列与作为下臂半导体模块的端子列的下臂端子列沿着第二方向以交错的方式布置，第二方向垂直于第一方向并且垂直于半导体模块的信号端子伸出的第三方向，第一、第二和第三方向彼此垂直。

Description

电力转换设备
技术领域
本发明涉及一种包括半导体模块和电路板的电力转换设备，每个半导体模块结合有切换元件，在电路板上形成有用于控制该半导体模块的控制电路。
背景技术
通常，例如变换器或转换器的电力转换设备包括半导体模块和电路板，在电路板上形成有用于控制半导体模块的控制电路。安装有构成控制电路的各种电子部件的电路板与半导体模块的信号端子连接。电路板的尺寸充分地小以便使得电力转换设备在尺寸上是紧凑的。日本专利申请特开No.2009-213307描述了一种具有以下的结构的电力转换设备：出于减少电路板尺寸的目的，用于调节切换元件的切换速度的调节元件安装在电路板的前表面和后表面上。
然而，根据信号端子的布局，上述结构并不能总是充分地减少这种电路板的尺寸。
在上述专利文件中描述的电力转换设备中，在高电位侧的每个上臂半导体模块和相应的下臂半导体模块沿着端子布置方向（布置有它们的信号端子的方向）对齐。相应地，为了减少在电路板的端子布置方向上的尺寸，需要尽可能地减少在上臂半导体模块和下部半导体模块之间的距离，并且相应地，需要减少在上臂端子列（上臂半导体模块的信号端子列）和下臂端子列（下部半导体模块的端子列）之间的距离。然而，在该情形中，难以提供在这些列之间的足够的爬电距离。
另外，由于用于形成与上臂端子列和下臂端子列对应的连接部的空间在端子布置方向上展开，因此用于安装电路板上的其他电子部件的空间是有限的。
发明内容
示例性实施方式提供一种电力转换设备，包括：
构成电力转换电路的半导体模块，半导体模块中的每一个结合有切换元件；以及
电路板，电路板上形成有用于控制半导体模块的切换元件的切换的控制电路；
其中
半导体模块中的每一个包括电连接至电路板的信号端子；
半导体模块中的每一个的信号端子成一直线地布置以形成沿着第一方向的端子列；
半导体模块分组成上臂半导体模块和下臂半导体模块，每个上臂半导体模块连接至电力转换电路的高电位侧，每个下臂半导体模块连接至电力转换电路的低电位侧并且连接至相应的一个上臂半导体模块；并且
作为上臂半导体模块的端子列的上臂端子列与作为下臂半导体模块的端子列的下臂端子列沿着第二方向以交错的方式布置，第二方向垂直于第一方向并且垂直于第三方向，半导体模块的信号端子在第三方向上伸出，第一、方向和第三方向彼此垂直。
根据示例性实施方式，提供了一种电力转换设备，该电力转换设备的电路板能够制成为在尺寸上是紧凑的并且提供将安装在电路板上的电子部件的布局的极度灵活性。
本发明的其他优点和特征从下面的包括附图和权利要求的说明中将变得明显。
附图说明
在附图中：
图1为从端子伸出方向观察的根据本发明的第一实施方式的电力转换设备除去它的电路板的平面图；
图2为从垂直于端子布置方向的正交方向观察的根据本发明的第一实施方式的电力转换设备除去它的冷却器的前视图；
图3为从端子布置方向观测的根据本发明的第一实施方式的电力转换设备除去它的冷却器的侧视图；
图4为包含在根据本发明的第一实施方式的电力转换设备中的电路板的平面图；
图5为包含在根据本发明的第一实施方式的电力转换设备中的半导体模块的前视图；
图6为用于说明由根据本发明的第一实施方式的电力转换设备的半导体模块构成的电力转换电路的图；
图7为从端子伸出方向观察的根据本发明的第二实施方式的电力转换设备除去它的电路板的平面图；
图8为从垂直于端子布置方向的正交方向观察的根据本发明的第二实施方式的电力转换设备除去它的冷却器的前视图；
图9为包含在根据本发明的第二实施方式的电力转换设备中的电路板的平面图；
图10为从垂直于端子布置方向的正交方向观察的根据本发明的第三实施方式的电力转换设备除去它的冷却器的前视图；
图11为包含在根据本发明的第三实施方式的电力转换设备中的电路板的平面图；
图12为从端子伸出方向观察的作为对比示例的电力转换设备去除它的电路板的平面图；并且
图13为从端子伸出方向观察的作为另一对比示例的电力转换设备去除它的电路板的平面图。
具体实施方式
在下面描述的实施方式中，相同或等效的部件由相同的标号或字母指示。
第一实施方式
参照图1至6描述了根据本发明的第一实施方式的电力转换设备1A。如图1至3所示，电力转换设备1A包括多个半导体模块2以及电路板3，每个半导体模块2结合有切换元件201，在电路板3上形成有用于控制半导体模块2的控制电路。
如图1和5所示，半导体模块2包括连接至电路板3的多个信号端子21。从电路板3的侧部观察时，信号端子21成一直线地布置为形成端子列。如图6所示，多个半导体模块2分组成上臂半导体模块2H和下臂半导体模块2L，上臂半导体模块2H连接至由半导体模块2构成的电力转换电路的高电位侧，下臂半导体模块2L串联连接至上臂半导体模块2并且串联连接至电力转换电路的低电位侧。
在下文中，由上臂半导体模块2H的信号端子22形成的列称作上臂端子列22H，而由下臂半导体模块2L的信号端子22形成的列称作下臂端子列22L。如图1和2所示，端子列22H和端子列22L沿着正交方向X彼此平行地布置，正交方向X垂直于端子列22的信号端子22布置的方向（在下文中称作端子布置方向Y）以及信号端子21从半导体模块2上伸出的方向（在下文中称作端子伸出方向Z）。
如图1和2所示，上臂端子列22H和下臂端子列22L布置为使得当从端子布置方向X观察时彼此不重叠。即，当从端子伸出方向Z观察时，上臂端子列22H和下臂端子列22L以交错的方式布置。
电力转换设备1A为安装在电动汽车或混合驱动汽车上的变换器。半导体模块2构成图6中所示的电力转换电路（在该实施方式中为变换器电路）12。变换器电路12包括在高电位线121和低电位线122之间串联连接的三对上臂半导体模块2H和下臂半导体模块2L。这些对中的每一对在下文中称作“串联连接”。每个半导体模块2包括例如IGBT(绝缘栅极型晶体管）的切换元件201以及反并联至切换元件201的续流二极管202。
串联连接中的每一个在它的位于构成该串联连接的上臂半导体模块2H和下臂半导体模块2L之间的结点处通过输出线123连接至三相AC旋转电机13（在该实施方式中为电动-发动机）的三个电极上的相应的一个。更具体地，在每个串联连接的上臂半导体模块2H的发射极和下臂半导体模块2L的集电极之间的结点连接至构成输出线123的三条接线中的一条并且分别连接至三相AC旋转电机13的U-相、V-相和W-相电极。
如图5所示，半导体模块2包括主体200，主体200结合有切换元件201、反并联至切换元件201的续流二极管202以及从主体200上伸出的多个（在该实施方式中为五个）信号端子21。主体200具有大体的矩形形状。具有主体200的最大区域的相反的主表面203用作热辐射表面。五个端子21从主体200的一个端面204上平行地伸出。在该实施方式中，信号端子21中的三个分别连接至切换元件201的栅极、发射极和传感发射极。另两个信号端子21连接至用于检测元件温度的温度传感器的一对电极。
半导体模块2包括从主体200的另一端面伸出的两个电力端子23。电力端子23分别连接至在主体200内的切换元件201的集电极和发射极。
由五个信号端子21形成的每个端子列22的位置关于端子布置方向Y从主体200的中心偏离。即，所有的信号端子21布置为偏向主体200沿着正交方向X的相反两侧中的一侧。上臂半导体模块2H和下臂半导体模块2L具有相同的结构。如图1和2所示，上臂半导体模块2H和下臂半导体模块2L布置为使得它们沿着正交方向X的定向彼此相反。即，相同的两个半导体模块2（上臂半导体模块2H和下臂半导体模块2L）布置为使得它们的主表面203的定向彼此相反，以使得它们的端子列22变得彼此靠近。
如图1所示，电力转换设备1包括用于冷却半导体模块2的冷却器4。冷却器包括多个冷却管41，该多个冷却管在它们的纵向方向上的两个端部处彼此联接。冷却管41和半导体模块2彼此交替地堆叠以形成堆叠本体。每两个相邻的冷却管41分别与半导体模块2中之一的相反的主表面203接触。堆叠本体的叠层方向平行于正交方向X，并且冷却管41的纵向方向平行于端子布置方向Y。
冷却器4还包括用于向其中引入冷却剂的冷却剂入口管421和用于从其中排出冷却剂的冷却剂出口管422。在每两个相邻的冷却管41之间，布置有各自的一个半导体模块2。
如图2和3所示，半导体模块2的信号端子21连接至电路板3。如图4所示，电路板3形成有通孔31，通孔31用于把要被连接至电路板3的信号端子21穿过其中通孔31形成在用于半导体模块21中的每一个的信号端子21的一对一基部上。相应地，用于每个半导体模块2的通孔31形成有类似由相应的信号端子21形成的信号列22的处于直线布置的孔列32。即，电路板3设置有与一对一基部上的端子列22对应的孔列32。孔列32分组成与上臂端子列22H对应的上臂孔列32H以及与下臂端子列22L对应的下臂孔列32L。上臂孔列32H和下臂孔列32L以交错的方式沿着正交方向X彼此平行地布置。
半导体模块2的信号端子21插入到通孔31中以通过焊接等连接至电路板。在电路板3上位于上臂端子列22H和下臂端子列22L之间的区域中，安装有电子部件11。即，如图4所示，电子部件11安装在上臂孔列32H和下臂孔列32L之间。
在该实施方式中，电子部件11为MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管），MOSFET构成用于防止切换元件201由于噪音而接通的截止-保持电路。为半导体模块2中的每一个设置电子部件11（在下文中可称作截止-保持MOS（金属氧化物半导体）11）。串联连接的半导体模块2中的一个的截止-保持MOS11防止当其他半导体模块2接通时产生的集电极-发射极浪涌电压施加到这一个半导体模块2的栅极。更详细地，截止-保持MOS11强行地保持半导体模块2的应该断开的切换元件201的栅极电压与发射极电压相等以防止该半导体模块2的故障。相应地，截止-保持MOS11（电子部件11）应当布置为尽可能地靠近信号端子21。
电路板3形成有绝缘界线33以在每个相邻的孔列32和它的相邻的孔列32之间、以及每个孔列32和外部接线之间提供电绝缘。绝缘界线33形成为使得包围每个孔列32。在被绝缘界线33包围的每个区域中，除了孔列32，还安装有电子部件（截止-保持MOS）11。
电路板3被划分为施加有高压的高压区和施加有低压的低压区。孔列32形成在高压区中。
上文描述的第一实施方式提供以下优点。在电力转换设备1A中，上臂端子列22H和下臂端子列22L以交错的方式沿着正交方向X彼此平行地布置。相应地，即使是在它们在端子布置方向上彼此非常靠近的情况下，也能够在上臂端子列22H和下臂端子列22L之间提供足够的爬电距离。如果上臂端子列22H与它的配对的下臂端子列22L设置在关于正交方向X的相同的位置中，即，如果上臂端子列22H和它的配对的下臂端子列22L沿着端子布置方向Y成一直线地对齐，则由于它们在端子布置方向上布置为更靠近彼此，则在它们之间的爬电距离变得更小。
在该实施方式中，由于上臂端子列22H和下臂端子列22L以交错的方式沿正交方向X彼此平行地布置，因而即使是在它们在端子布置方向Y上布置为彼此非常靠近的情况下也能够在它们之间提供足够的爬电距离。相应地，由于上臂端子列22H和下臂端子列22L的安装空间在端子布置方向Y上能够减少，所以电路板3在端子布置方向Y上的尺寸能够减少。
结果，能够增加用于将除了半导体模块2的电子部件安装在电路板3上的空间。更具体地，由于用于安装上臂端子列22H和下臂端子列22L的空间能够在端子布置方向Y上减少，所以能够在上臂端子列22H和下臂端子列22L的双侧延伸用于安装其他电子部件的空间。此外，由于上臂端子列22H和下臂端子列22L以交错的方式沿着正交方向X布置，所以能够在电路基板3上在上臂端子列22H和下臂端子列22L之间设置用于安装其他电子部件的空间。而且，通过上文描述的上臂端子列22H和下臂端子列22L的布置，能够提高在电路板3上的电子部件的布置的灵活性。
沿着正交方向X以交错的方式布置上臂端子列22H和下臂端子列22L的这种布置能够增加制造在彼此串联连接的上臂半导体模块2H和下臂半导体模块2L之间的接线的效率。在制造上臂半导体模块2H和下臂半导体模块2L之间的接线的过程中，需要极大地考虑在它们之间的爬电距离。根据该实施方式，由于沿着正交方向X以交错的方式布置上臂端子列22H和下臂端子列22L的这种布置，因而能够将该爬电距离制成为充分地大。
上臂端子列22H和下臂端子列22L设置为使得当从正交方向X观察时它们彼此不重叠。而且，这能够容易地增加该爬电距离。
上臂半导体模块2H和下臂半导体模块2L具有相同的结构，并且布置为使得它们沿着正交方向X的定向彼此相反。相应地，由于上臂半导体模块2H和下臂半导体模块2L能够由普通的零件构成，所以能够减少电力转换设备1A的制造成本。此外，由于电子部件11在电路板上安装在上臂端子列22H和下臂端子列22L之间的区域中，所以能够增加在电路板3上的空间的使用效率。
第二实施方式
接着，参照图7至9描述根据本发明的第二实施方式的电力转换设备1B。如图7至9所示，在根据第二实施方式的电力转换设备1B中，上臂半导体模块2H和下臂半导体模块2L从正交方向X观察时彼此部分地重叠，这与根据第一实施方式的电力转换设备1A不同，在第一实施方式中，它们从正交方向X观察时彼此不重叠。
相应地，如图9所示，上臂孔列32H和下臂孔列32L能够被制成在端子布置方向Y上彼此更靠近。除了以上内容，第二实施方式在结构上与第一实施方式相同。
根据第二实施方式，用于安装半导体模块2的空间还能够在端子布置方向Y上进一步减少。结果，根据第二实施方式的电力转换设备1B在端子布置方向Y上的尺寸能够进一步减少。而且，电路板3上形成有孔列32的区域能够在端子布置方向Y上减少。因此，根据第二实施方式，能够减少电路板3在端子布置方向Y上的尺寸，并且能够在电路板3上提供在孔列32的双侧的部件-安装空间。除了上文描述的优点，第二实施方式提供与第一实施方式相同的优点。
第三实施方式
接着，参照图10和11描述根据本发明的第三实施方式的电力转换设备1C。如图10和11所示，在根据第三实施方式的电力转换设备1C中，上臂半导体模块2H和下臂半导体模块2L沿着正交方向X成一直列地交替布置。即，它们布置为使得它们的主体200从正交方向X观察时基本上完全地彼此重叠。
而且在该实施方式中，上臂半导体模块2H和下臂半导体模块2L具有相同的结构，并且布置为使得它们沿着正交方向的定向（它们的主表面203的方向）彼此相反。由于端子列22设置为偏向主体200的关于端子布置方向Y的相反两侧中的一侧，所以上臂端子列22H和下臂端子列22L从正交方向X观察时彼此不重叠。除了以上内容，第三实施方式在结构上与第一实施方式相同。
根据上文描述的第三实施方式，用于安装半导体模块2的空间能够在端子布置方向Y上进一步减少，并且相应地，电路转换设备1C在端子布置方向Y上的尺寸能够进一步减少。除了上文描述的优点，第三实施方式提供与第一实施方式相同的优点。
对比示例1
接着，参照图12描述作为对比示例1的电力转换设备9。如图12所示，在电力转换设备9中，上臂端子列22H和它的配对的下臂端子列22L关于正交方向X布置在相同的位置中。即，上臂端子列22H的信号端子21和它的配对的下臂端子列22L的信号端子21沿着端子布置方向Y成一直线地对齐。
此外，每对上臂半导体模块2H和下臂半导体模块2L布置在每两个相邻的冷却管41之间。除了以上内容，对比示例1在结构上与第一实施方式相同。
在该示例中，在上臂端子列22H和下臂端子列22L之间的爬电距离变得更小，因为它们布置为在端子布置方向Y上彼此更靠近。相应地，存在减少在端子布置方向Y上的在上臂端子列22H和下臂端子列22L之间的距离的约束。
如果上臂端子列22H和下臂端子列22L之间在端子布置方向Y上的距离充分地增加，则由于电路板3在端子布置方向Y上的尺寸大大地增加，所以变得更难以将电力转换设备9制成为尺寸紧凑。而且，为了充分地增加上臂半导体模块2H和下臂半导体模块2L之间在端子布置方向Y上的距离，必须增加电力转换设备9在端子布置方向Y上的尺寸。
对比示例2
接着，参照图13描述了作为对比示例2的电力转换设备90。如图13所示，在电力转换设备90中，上臂端子列22H和它的配对的下臂端子列22L像对比示例1一样关于正交方向X布置在相同位置中，然而，上臂端子列22H和下臂端子列22L沿着端子布置方向Y的定向彼此相同。除了以上内容，对比示例2在结构上与对比示例1相同。
在该示例中，在上臂端子列22H和下臂端子列22L之间提供长的爬电距离是容易的。然而，由于形成有上臂端子列22H和下臂端子列22L的区域在端子布置方向Y上延伸，所以孔列在端子布置方向Y上展开。即，由于形成有孔列的区域在端子列布置方向Y上延伸，所以用于在电路板上形成其他电子部件的空间是有限的。
上文解释的优选实施方式是本申请的发明的示例，本申请的发明单独地通过附加的权利要求被描述。应当理解，可根据本领域技术人员所能够想到的，做出优选实施方式的修改。

Claims (7)

1.一种电力转换设备，包括：
构成电力转换电路的半导体模块，所述半导体模块中的每一个结合有切换元件；以及
电路板，所述电路板上形成有用于控制所述半导体模块的所述切换元件的切换的控制电路；
其中
所述半导体模块中的每一个包括电连接至所述电路板的信号端子；
所述半导体模块中的每一个的所述信号端子成一直线地布置以形成沿着第一方向的端子列；
所述半导体模块分组成上臂半导体模块和下臂半导体模块，每个所述上臂半导体模块连接至所述电力转换电路的高电位侧，每个所述下臂半导体模块连接至所述电力转换电路的低电位侧并且连接至相应的一个所述上臂半导体模块；并且
作为所述上臂半导体模块的端子列的上臂端子列与作为所述下臂半导体模块的端子列的下臂端子列沿着第二方向以交错的方式布置，所述第二方向垂直于所述第一方向并且垂直于第三方向，所述半导体模块的所述信号端子在所述第三方向上伸出，所述第一方向、第二方向和第三方向彼此垂直。
2.根据权利要求1所述的电力转换设备，其中，所述上臂端子列和所述下臂端子列沿着所述第二方向交替地布置。
3.根据权利要求1所述的电力转换设备，其中，所述上臂端子列和所述下臂端子列布置为使得当从所述第二方向观察时彼此不重叠。
4.根据权利要求1所述的电力转换设备，其中，所述上臂半导体模块和所述下臂半导体模块布置为使得当从所述第二方向观察时彼此至少部分地重叠。
5.根据权利要求4所述的电力转换设备，其中，所述上臂半导体模块和所述下臂半导体模块沿着所述第二方向成一直线地交替地布置。
6.根据权利要求1所述的电力转换设备，其中，所述上臂半导体模块和所述下臂半导体模块具有相同的结构，并且布置为使得所述上臂半导体模块在所述第二方向上的定向与所述下臂半导体模块在所述第二方向上的定向彼此相反。
7.根据权利要求1所述的电力转换设备，其中，所述电力转换电路的电子部件安装在所述电路板上的位于所述上臂端子列和所述下臂端子列之间的区域中。
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