CN103650321A - 电力转换装置 - Google Patents

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CN103650321A CN201280033319.3A CN201280033319A CN103650321A CN 103650321 A CN103650321 A CN 103650321A CN 201280033319 A CN201280033319 A CN 201280033319A CN 103650321 A CN103650321 A CN 103650321A
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side transistors
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田坂泰久
君岛健一
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Abstract

本发明提供一种电力转换装置，其中高侧晶体管（MHU）设置于所对应的相的输出端子（OUTU）与上侧电源线路（LP）之间，且包括电性并联的N个高侧晶体管单元（14U1～N），其中，N为2以上的整数。低侧晶体管（MLU）设置于所对应的相的输出端子（OUTU）与下侧电源线路（LN）之间，且包括电性并联的N个低侧晶体管单元（16U1～N）。缓冲电路（12）分别按成对的1个高侧晶体管单元（14）及与其对应的1个低侧晶体管单元（16）设置。高侧晶体管（MHU）、低侧晶体管（MLU）及N个缓冲电路（12U1～N）安装于金属基底基板上。

Description

电力转换装置
技术领域
本发明涉及一种电力转换装置。
背景技术
图1是表示普通的电力转换装置（逆变器）2的结构的电路图。电力转换装置2用作对马达等负载4进行驱动。电力转换装置2具备：分别设置于U、V、W相的高侧晶体管MH（U～W）及低侧晶体管ML（U～W）；对每一相的高侧晶体管MH（U～W）及低侧晶体管ML（U～W）进行驱动的栅极驱动电路10；及设置于各相的缓冲电路12（U～W）。
对负载供给大电流时，作为高侧晶体管MH及低侧晶体管ML使用大容量的功率晶体管。若对大容量的功率晶体管施加噪声，则可能会削弱电路的可靠性，因此为防止这种情况，需要大型的缓冲电路。
专利文献1：日本特开平10-225140号公报
专利文献2：日本特开2004-112999号公报
专利文献1中公开有在功率模块（功率晶体管）的外侧通过汇流条连接有大容量的缓冲电路的结构。通常在功率模块内部内置有与其容量对应的个数的硅芯片。该结构中，每一硅芯片与缓冲电路的距离不均匀，因此产生相对于形成在距缓冲电路的电性距离较远的硅芯片上的晶体管，无法得到充分的电涌抑制效果之类的问题。
并且，叉车等工业用车辆中，逆变器日趋高频化，需要抑制高频的电涌噪声。但是，在专利文献1的结构中，按每一个功率模块设置有大容量的缓冲电路，因此构成缓冲电路的电路元件，例如电容器的容量值变大。电容器的频率特性随其容量的增大而劣化，因此难以抑制高频的电涌。
另外，在工业用车辆中，耐振动性很重要。专利文献1的结构中，缓冲电路构成为使用大容量的即大型且较重的电路部件，且它们紧固于汇流条，因此振动可能会对电路的长期可靠性造成不利的影响。
发明内容
本发明是鉴于有关课题而完成的，其一方式的示例性目的之一在于提供一种能够适宜地利用于工业用车辆的电力转换装置。
本发明的一方式涉及一种搭载于叉车且对马达供给电力的电力转换装置。电力转换装置具备：上侧电源线路；下侧电源线路；高侧晶体管，设置于每一相，且设置于所对应的相的输出端子与上侧电源线路之间；低侧晶体管，设置于每一相，且设置于所对应的相的输出端子与下侧电源线路之间；N个缓冲电路；及金属基底基板。
高侧晶体管构成为包括电性并联的N个（N为2以上的整数）高侧晶体管单元。低侧晶体管构成为包括电性并联的N个低侧晶体管单元。N个缓冲电路分别按成对的1个高侧晶体管单元及与其对应的1个低侧晶体管单元设置。高侧晶体管、低侧晶体管及N个缓冲电路安装于金属基底基板上。
成对的高侧晶体管单元及低侧晶体管单元、和与它们对应的缓冲电路被设为1个布局单位，N个布局单位有规则地配置于金属基底基板上。在每一布局单位中，高侧晶体管单元及低侧晶体管单元沿第1方向相邻配置，与它们对应的缓冲电路相对于高侧晶体管单元及低侧晶体管单元，沿与第1方向垂直的第2方向相邻配置。
根据该方式，能够得到以下优点。
首先，通过将高侧晶体管及低侧晶体管分割成多个晶体管单元且与每一晶体管单元相邻设置缓冲电路，能够缩短缓冲电路与保护对象即晶体管的电性距离，能够提高电涌的抑制效果。
其次，在每一布局单位中，能够将晶体管单元与缓冲电路的电性距离设为相等的长度。由此，能够防止一部分晶体管单元的可靠性下降。
第3，通过分割成N个缓冲电路，与相对于整个高侧晶体管及低侧晶体管设置1个缓冲电路相比，能够减小构成缓冲电路的电容器的容量值，且能够适宜地抑制高频电涌。
第4，并且通过将构成部件安装于金属基底基板上，能够通过金属基底基板进行散热，且能够抑制温度上升。
第5，缓冲电路的构成部件安装于金属基底基板上，因此与通过汇流条连接时相比，能够提高耐振动性。
通过这些优点，能够适宜地利用于工业用车辆。
金属基底基板也可形成为按布局单位进行物理性地分割。
根据该方式，能够抑制相邻的布局单位之间的导热，能够抑制某一布局单位的缓冲电路或晶体管被来自其他布局单位的晶体管的热量加热。通常，电路部件、及连接电路部件与基板的焊料因温度反复地上升下降而提前劣化，但在该方式中，温度变化得到缓和，因此能够提高长期可靠性。
通过进一步按布局单位进行物理性地分割，在设计对不同容量的负载进行驱动的若干种类的电力转换装置时，能够轻松地增减布局单位的个数，因此无损于上述优点而能够提高设计效率。
一方式中，在金属基底基板上也可以设置有以沿第2方向夹住每个缓冲电路的方式形成的成对的狭缝。
若着眼于某一布局单位的缓冲电路，则能够缓和除来自相同的布局单位的晶体管的热性影响以外的来自相邻的布局单位的晶体管的热性影响，因此能够提高长期可靠性。
高侧晶体管单元及低侧晶体管单元也可以分别包括沿第1方向相邻的2个副晶体管单元。金属基底基板也可按高侧晶体管单元、及按低侧晶体管单元进行分割。
高侧晶体管单元及低侧晶体管单元也可以形成为分别包括沿第1方向相邻的2个副晶体管单元，金属基底基板可按2个副晶体管单元进行分割。
N个缓冲电路也可以是分别包括串联设置于上侧电源线路与下侧电源线路之间的第1电容器及第2电容器的C缓冲电路。第1电容器可以与高侧晶体管的副晶体管单元相邻配置，且第2电容器可以与低侧晶体管的副晶体管单元相邻配置。
N个缓冲电路也可以是分别包括如下的RCD缓冲电路,即第3电容器、第1二极管、第2二极管及第4电容器，在上侧电源线路与下侧电源线路之间以该顺序串联设置；第1电阻，设置于第3电容器及第1二极管的接入点与下侧电源线路之间；及第2电阻，设置于第2二极管及第4电容器的接入点与上侧电源线路之间。第3电容器及第1二极管可以与高侧晶体管的副晶体管单元相邻配置，第2二极管及第4电容器可以与低侧晶体管的副晶体管单元相邻配置。
另外，以上构成要件的任意组合、将本发明的构成要件及表现在方法、装置、系统等之间相互置换也作为本发明的方式而有效。
根据本发明，能够提供一种满足工业用车辆所要求的规格的电力转换装置。
附图说明
图1是表示普通电力转换装置的结构的电路图。
图2是表示实施方式所涉及的电力转换装置的结构的等效电路图。
图3是表示图2的电力转换装置的结构的俯视图。
图4是表示第1变形例所涉及的电力转换装置的结构的图。
图5是表示第2变形例所涉及的电力转换装置的结构的图。
图6是表示第3变形例所涉及的电力转换装置的结构的图。
图7（a）、（b）是表示图6的布局单位的结构例的图。
图8（a）、（b）是表示图6的布局单位的另一结构例的图。
图9（a）、（b）是表示叉车的结构的图。
具体实施方式
以下，根据优选实施方式，参考附图对本发明进行说明。对于每一附图中所示的相同或同等的构成要件、部件及处理附上相同的符号，且适宜地省略反复说明。并且，实施方式并不限定本发明而只是例子，实施方式中所记述的所有特征和其组合未必一定是发明的本质。
本说明书中，所谓“部件A与部件B连接的状态”除了部件A与部件B物理性地直接连接的情况以外，还包括部件A与部件B通过不对它们的电性连接状态产生实质性的影响或不损害通过它们的结合而取得的功能和效果的其他部件来间接连接的情况。
同样，所谓“部件C设置于部件A与部件B之间的状态”除了部件A与部件C、或部件B与部件C直接连接的情况以外，还包括通过不对它们的电性连接状态产生实质性的影响或不损害通过它们的结合而取得的功能和效果的其他部件来间接连接的情况。
图2是表示实施方式所涉及的电力转换装置2的结构的等效电路图。电力转换装置2搭载于叉车等工业用车辆，且驱动装卸用马达和车轮用马达。电力转换装置2的基本结构与图1的电力转换装置2r相同。即，电力转换装置2具备：上侧电源线路LP；下侧电源线路LN；高侧晶体管MHU（MHV、MHW），设置于每一相，且设置于所对应的相U（V、W）的输出端子OUTU（OUTV、OUTW）与上侧电源线路LP之间；低侧晶体管MLU（MLV、MLW），设置于每一相U（V、W），且设置于所对应的相U（V、W）的输出端子OUTU（OUTV、OUTW）与下侧电源线路LN之间。图2中仅显示U相的结构，省略有关V相及W相的结构。并且，电力转换装置2在U相、V相及W相具有相同地构成，因此关于其特征将参考U相来进行说明。
高侧晶体管单元MH及低侧晶体管单元ML也可以由MOSFET（Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor）、IGBT（Insulated GateBipolar Transistor）、及双极晶体管中的任一个构成。
高侧晶体管MHU构成为包括电性并联的N个（N为2以上的整数）高侧晶体管单元14U1～N。同样，低侧晶体管MLU构成为包括电性并联的N个低侧晶体管单元16U1～N。
电力转换装置2具备N个缓冲电路（snubber circuit）12U1～N。每一缓冲电路12Ui按成对的晶体管单元14Ui、16Ui设置。
图3是表示图2的电力转换装置2的结构的俯视图。图3中示出N=4的情况。构成高侧晶体管MH的晶体管单元14U1～4、构成低侧晶体管ML的16U1～4及N个缓冲电路12U1～4安装于金属基底基板20上。
若着眼于第i个（1≤i≤N）晶体管单元，则成对的高侧晶体管单元14Ui及低侧晶体管单元16Ui、和与其对应的缓冲电路12Ui被设为1个布局单位22Ui。并且，N个布局单位22U1～4有规则地配置于金属基底基板20上。
在各布局单位22Ui中，高侧晶体管单元14Ui及低侧晶体管单元16Ui沿第1方向X相邻配置。并且，与它们对应的缓冲电路12Ui相对于高侧晶体管单元14Ui及低侧晶体管单元16Ui，沿与第1方向X垂直的第2方向Y相邻配置。
以上为电力转换装置2的结构。根据该电力转换装置2，能够得到以下优点。
若着眼于U相，则高侧晶体管MHU被分割成N个晶体管单元14U1～N，低侧晶体管MLU被分割成N个晶体管单元16U1～N，另外，缓冲电路12U被分割成N个。由此，能够将每一缓冲电路12Ui与对应于此的各晶体管单元14Ui、16Ui相邻配置，能够缩短缓冲电路与保护对象即晶体管的电性距离。由此，能够提高电涌的抑制效果。
在每一布局单位22Ui中，能够将晶体管单元14Ui、16Ui与缓冲电路12Ui的电性距离设为相等的长度。由此，能够抑制所有晶体管单元的电涌，能够防止一部分晶体管单元的可靠性下降。
如图1所示，对整个高侧晶体管及低侧晶体管设置1个缓冲电路时，构成缓冲电路12的电容器的容量值变大。此时，虽然能够适宜地抑制低频电涌噪声，但难以抑制高频电涌，在日趋高频化的叉车用电力转换装置中成为问题。相对于此，实施方式所涉及的电力转换装置2中，通过被分割成N个缓冲电路12U1～N，每一缓冲电路12U的每一个电容器的容量值减小，因此能够适宜地抑制高频电涌。
另外，通过将构成部件安装于金属基底基板20上，能够通过金属基底基板20进行散热，且能够抑制每一部件的温度上升。
另外，缓冲电路12的构成部件安装于金属基底基板20上，因此与通过汇流条连接的情况相比，能够提高耐振动性。
通过这些优点，实施方式所涉及的电力转换装置2能够满足工业用车辆所要求的规格。
以上，关于本发明，以实施方式为根据进行了说明。本领域技术人员可知，该实施方式为例示，这些每一构成要件和每一处理工艺的组合可以存在各种变形例，并且这种变形例也属于本发明的范围内。下面，对这种变形例进行说明。
（第1变形例）
图4是表示第1变形例所涉及的电力转换装置2a的结构的图。
金属基底基板20形成为按布局单位22U进行物理性地分割。邻接的布局单位22U之间也可以进行螺纹固定。
根据该变形例，能够抑制相邻的布局单位22U之间的导热，且能够抑制某一布局单位22U的晶体管单元14U、16U或缓冲电路12U被其他布局单位22U的晶体管的热量加热。由此，能够抑制晶体管单元和缓冲电路及焊料的温度变动，能够抑制它们劣化，且提高长期可靠性。
并且，根据该变形例，能够轻松地增减布局单位22U的个数，且能够简单地改变电力转换装置的驱动能力（电流容量）。即，能够提高设计效率。
（第2变形例）
图5是表示第2变形例所涉及的电力转换装置2b的结构的图。
在金属基底基板20设置有以沿第2方向Y夹住缓冲电路12U1～4的方式形成的成对的狭缝。
根据该变形例，若着眼于某一布局单位22Ui的缓冲电路12Ui，则能够通过一侧的狭缝来缓和来自相同的布局单位22Ui的晶体管单元14Ui、16Ui的热性影响，能够通过另一侧的狭缝缓和来自相邻的布局单位22Uj的晶体管单元14Uj、16Uj的热性影响，能够提高长期可靠性。
也可将第2变形例与第1变形例进行组合。即，可以按布局单位分割金属基底基板20，并且在缓冲电路12的两侧形成狭缝。
（第3变形例）
图6是表示第3变形例所涉及的电力转换装置2c的结构的图。
该变形例中，高侧晶体管单元14U及低侧晶体管单元16U分别包括沿第1方向X相邻的2个副晶体管单元26、28。
金属基底基板20形成为按高侧晶体单元14U、及按低侧晶体单元16U进行分割，而不是按布局单位22U进行分割。
根据该变形例，也能够得到与实施方式相同的效果。并且，通过分割金属基底基板20，能够得到与第1变形例相同的效果。
另外，副晶体管单元及晶体管单元的名称是为了方便而命名的，图6的副晶体管单元相当于图3～图5的晶体管单元。图6中，将副晶体管单元作为晶体管单元时，电力转换装置2c能够理解为如下。
电力转换装置2c中，高侧晶体管单元MHU构成为包括电性并联的N=K×L个（K、L为2以上的整数）高侧晶体管单元。图6的例子中，K=2，L=2。同样，低侧晶体管单元MLU构成为包括电性并联的K×L个的低侧晶体管单元。
图6的电力转换装置2c具备L个缓冲电路。每一缓冲电路12U按成组的K个高侧晶体管单元及与它们对应的K个低侧晶体管单元设置。
并且，K个高侧晶体管单元及K个低侧晶体管单元、和与它们对应的缓冲电路12U构成1个布局单位22U。L个布局单位22U有规则地配置于金属基底基板20上。
在各布局单位22U中，K个高侧晶体管单元及K个低侧晶体管单元沿第1方向X相邻配置。并且，与它们对应的缓冲电路12U相对于K个高侧晶体管单元及K个低侧晶体管单元，沿与第1方向X垂直的第2方向Y相邻配置。
图7（a）、（b）是表示图6的布局单位22U的结构例的图。图7（a）表示基板上的布局，图7（b）表示等效电路图。图7（b）的缓冲电路为C缓冲电路。缓冲电路12U包括在上侧电源线路LP与下侧电源线路LN之间串联设置的第1电容器C11、第2电容器C12。第1电容器C11包括2个并联的电容器C11a、C11b，且与高侧晶体管单元14U的副晶体管单元26、28相邻配置。同样，第2电容器C12包括2个并联的电容器C12a、C12b，且与低侧晶体管单元16U的副晶体管单元26、28相邻配置。被分割的金属基底基板之间通过跳线（金属板）30、32接线。
图8（a）、（b）是表示图6的布局单位22U的另一结构例的图。图8（a）表示基板上的布局，图8（b）表示等效电路图。图8（b）的缓冲电路是RCD缓冲电路。缓冲电路12U包括：第3电容器C13、第1二极管D11、第2二极管D12及第4电容器C14，在上侧电源线路LP与下侧电源线路LN之间以该顺序串联设置；第1电阻R11，设置于第3电容器C13及第1二极管D11的接入点P7与下侧电源线路LN之间；及第2电阻R12，设置于第2二极管D12及第4电容器C14的接入点P8与上侧电源线路LP之间。
第3电容器C13及第1二极管D11与高侧晶体管单元14U的副晶体管单元26、28相邻配置。第2二极管D12及第4电容器C14与低侧晶体管单元16U的副晶体管单元26、28相邻配置。
电阻R11、R12的电阻值与配线电阻值相比足够高，因此即使与晶体管的电性距离较远，也不会影响到缓冲电路的功能。因此，第1电阻R11、第2电阻R12h外置于金属基底基板20的外部。
根据图6～图8的结构，相对于1个副晶体管单元26、28，能够使构成缓冲电路的1个电路部件进行对应关联，且能够实现有效的布局。
对上述电力转换装置2的用途进行说明。电力转换装置2能够适宜地利用与日趋高频化且要求有耐振动性的叉车。
图9（a）、（b）是表示叉车的结构的图。如图9（a）所示，叉车1具备主体60、货叉62、升降体64、柱66及车轮68。柱66设置于主体60的前方。升降体64通过液压泵（未图示）等的动力源被驱动，且沿柱66进行升降。在升降体64安装有用于支承货物的货叉62。
图9（b）是表示叉车1的电气系统的结构的图。叉车1具备2系统的马达M1、M2。第1马达M1是用于使车轮68旋转的车轮用马达，第2马达M2是用于控制使升降体64升降的液压驱动器的装卸用马达。电力转换装置2_1、2_2分别接收来自电池80的直流电压，且将此转换成3相交流信号而向所对应的马达M1、M2进行供给。电池80、电力转换装置2_1、2_2、马达M1、M2固定于主体60。电力转换装置2_1、2_2可为独立的模块，也可作为单一的模块而构成。
上述电力转换装置鉴于其耐振动性、高频电涌的耐性等，能够适宜地利用于这种叉车1。
实施方式中，对驱动三相马达的电力转换装置2进行了说明，但本发明中，驱动对象即马达并不限定于三相，能够适用于2相以上的多相马达。并且，实施方式中，对电力转换装置2与马达4直接连接的情况进行了说明，但在电力转换装置2与马达4之间也可以插入有其他转换装置或其他电路块。
以上，根据实施例对本发明进行了说明。本领域技术人员可知本发明并不限定于上述实施方式，能够进行各种设计变形，可以存在各种变形例，并且，这种变形例也属于本发明的范围内。
符号的说明：
1-叉车，2-电力转换装置，4-马达，6-电源，C1-平滑化电容器，10-栅极驱动电路，12-缓冲电路，14-高侧晶体管单元，16-低侧晶体管单元，20-金属基底基板，22-布局单位，24-狭缝，26、28-副晶体管单元，M1-高侧晶体管，M2-低侧晶体管，LP-上侧电源线路，LN-下侧电源线路。
产业上的可利用性
本发明涉及一种电力转换装置。

Claims (7)

1.一种电力转换装置，其搭载于叉车且对马达供给电力，所述电力转换装置的特征在于，具备：
上侧电源线路；
下侧电源线路；
高侧晶体管，设置于每一相，且设置于所对应的相的输出端子与所述上侧电源线路之间，构成为包括电性并联的N个高侧晶体管单元，其中，N为2以上的整数；
低侧晶体管，设置于每一相，且设置于所对应的相的输出端子与所述下侧电源线路之间，构成为包括电性并联的N个低侧晶体管单元；
N个缓冲电路，分别按成对的1个高侧晶体管单元及与其对应的1个低侧晶体管单元设置；及
金属基底基板，安装有所述高侧晶体管、所述低侧晶体管及所述N个缓冲电路，
成对的所述高侧晶体管单元及所述低侧晶体管单元、和与此对应的所述缓冲电路被设为1个布局单位，N个布局单位有规则地配置于所述金属基底基板上，
在各布局单位内，所述高侧晶体管单元及所述低侧晶体管单元沿第1方向相邻配置，与它们对应的所述缓冲电路相对于所述高侧晶体管单元及所述低侧晶体管单元，沿与所述第1方向垂直的第2方向相邻配置。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述金属基底基板按所述布局单位进行分割而形成。
3.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于，
在所述金属基底基板设置有以沿所述第2方向分别夹住所述缓冲电路的方式形成的成对的狭缝。
4.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述高侧晶体管单元及所述低侧晶体管单元分别包括沿所述第1方向相邻的2个副晶体管单元，
所述金属基底基板按所述高侧晶体管单元、及按所述低侧晶体管单元进行分割。
5.根据权利要求4所述的电力转换装置，其特征在于，
所述N个缓冲电路是C缓冲电路，所述C缓冲电路分别包括串联设置于所述上侧电源线路与下侧电源线路之间的第1电容器及第2电容器，
所述第1电容器与所述高侧晶体管的副晶体管单元相邻配置，
所述第2电容器与所述低侧晶体管的副晶体管单元相邻配置。
6.根据权利要求4所述的电力转换装置，其特征在于，
所述N个缓冲电路是分别包括如下的RCD缓冲电路，该N个缓冲电路包括：
第3电容器、第1二极管、第2二极管及第4电容器，在所述上侧电源线路与下侧电源线路之间以该顺序串联设置；
第1电阻，设置于所述第3电容器同所述第1二极管的接入点、与所述下侧电源线路之间；及
第2电阻，设置于所述第2二极管同所述第4电容器的接入点、与所述上侧电源线路之间，
所述第3电容器及所述第1二极管与同它们对应的所述高侧晶体管的副晶体管单元相邻配置，
所述第2二极管及所述第4电容器与所述低侧晶体管的副晶体管单元相邻配置。
7.一种电力转换装置，其搭载于叉车且对马达供给电力，所述电力转换装置的特征在于，具备：
上侧电源线路；
下侧电源线路；
高侧晶体管，设置于每一相，且设置于所对应的相的输出端子与所述上侧电源线路之间，构成为包括电性并联的K×L个高侧晶体管单元，其中，K、L为2以上的整数；
低侧晶体管，设置于每一相，且设置于所对应的相的输出端子与所述下侧电源线路之间，构成为包括电性并联的K×L个低侧晶体管单元；
L个缓冲电路，分别按成组的K个高侧晶体管单元及与它们对应的K个低侧晶体管单元设置；及
金属基底基板，安装有所述K个高侧晶体管、所述K个低侧晶体管及所述L个缓冲电路，
所述K个高侧晶体管单元及所述K个低侧晶体管单元、和与它们对应的所述缓冲电路被设为1个布局单位，L个布局单位有规则地配置于所述金属基底基板上，
并且在各布局单位内，所述K个高侧晶体管单元及所述K个低侧晶体管单元沿第1方向相邻配置，与它们对应的所述缓冲电路相对于所述K个高侧晶体管单元及所述K个低侧晶体管单元，沿与所述第1方向垂直的第2方向相邻配置。
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