CN104205600A

CN104205600A - 电力转换装置

Info

Publication number: CN104205600A
Application number: CN201380012461.4A
Authority: CN
Inventors: 中山裕介; 长井纯之
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-03-07
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2014-12-10
Also published as: US20150029672A1; EP2824821A1; WO2013133104A1; EP2824821A4; JP2013187998A

Abstract

一种电力转换装置，具备：功率模块、具备冷却器的基部、第二基板、第一母线、第二母线、平滑电容器、第一基板，在基部的上面载置有功率模块，并且，第一母线、平滑电容器、第一基板按顺序层叠配备在功率模块的上方侧，第二基板沿立设方向配备于所述基部，并分别固定于功率模块和第一基板。

Description

电力转换装置

技术领域

本发明涉及通过半导体元件转换电量的电力转换装置。

背景技术

用于电动机等的逆变器控制的电力转换装置具备开关元件等功率半导体和控制该功率半导体装置的动作的控制电路而构成。功率半导体因大多发热，所以需要以控制电路不受热影响的方式构成。

作为这种电力转换装置，在JP4609504B中公开有相对于安装了功率半导体元件的第一电路基板，沿垂直方向配置安装有控制功率半导体元件的电路构成零件的第二电路基板，且将其一端与第一电路基板电接合。

在如JP4609504B记载那样构成的电力转换装置中，因第二电路基板仅其一端侧与安装了功率半导体元件的第一电路基板连接，所以因振动或冲击等来自外部的应力，在第一电路基板和第二电路基板上产生应力。存在因该应力而电力转换装置的耐久可靠性降低这样的问题。

发明内容

本发明是鉴于这种问题点而创立的，其目的在于，提供一种可以在具备功率半导体元件的电力转换装置中提高耐久性的电力转换装置。

根据本发明的一实施方式，适用于电力转换装置，该电力转换装置具备：具备功率半导体的功率模块、具备冷却功率模块的冷却器的基部、安装有控制功率模块的控制电路的控制基板、向功率模块供给电力的第一母线、输出来自功率模块的电力的第二母线、使第一母线的电力平滑化的平滑电容器、具备信号配线的第一基板。

在该电力转换装置中，其特征在于，在基部的上面载置功率模块，并且，第一母线、平滑电容器、第一基板按顺序层叠配备在功率模块的上方侧，控制基板沿立设方向配备于基部，并分别固定于功率模块和第一基板。

对于本发明的实施方式、本发明的优点，参照附图并在下面详细说明。

附图说明

图1是包含本发明第一实施方式的半导体模块的驱动系统的说明图；

图2A是本发明第一实施方式的电力转换装置的说明图；

图2B是本发明第一实施方式的电力转换装置的说明图；

图3A是本发明第一实施方式的电力转换装置的说明图，表示图2A的剖面图；

图3B是本发明第一实施方式的电力转换装置的说明图，表示图2A的剖面图；

图4是本发明第二实施方式的电力转换装置的说明图；

图5A是本发明第二实施方式的电力转换装置的说明图，表示图4的剖面图；

图5B是本发明第二实施方式的电力转换装置的说明图，表示图4的剖面图；

图6是本发明第三实施方式的电力转换装置的说明图；

图7A是本发明第三实施方式的电力转换装置的说明图，表示图6的剖面图；

图7B是本发明第三实施方式的电力转换装置的说明图，表示图6的剖面图；

图8是本发明第四实施方式的电力转换装置的说明图；

图9A是本发明第四实施方式的电力转换装置的说明图，表示图8的剖面图；

图9B是本发明第四实施方式的电力转换装置的说明图，表示图8的剖面图；

图10是本发明第五实施方式的电力转换装置的说明图；

图11A是本发明第五实施方式的电力转换装置的说明图，表示图10的剖面图；

图11B是本发明第五实施方式的电力转换装置的说明图，表示图10的剖面图；

图12是本发明第六实施方式的电力转换装置的说明图；

图13A是本发明第六实施方式的电力转换装置的说明图，表示图12的剖面图；

图13B是本发明第六实施方式的电力转换装置的说明图，表示图12的剖面图；

图14是本发明第七实施方式的电力转换装置的说明图；

图15A是本发明第七实施方式的电力转换装置的说明图；表示图14的剖面图；

图15B是本发明第七实施方式的电力转换装置的说明图，表示图14的剖面图；

图16是本发明第八实施方式的电力转换装置的说明图；

图17A是本发明第八实施方式的电力转换装置的说明图，表示图16的剖面图；

图17B是本发明第八实施方式的电力转换装置的说明图，表示图16的剖面图；

图18是本发明第九实施方式的电力转换装置的说明图；

图19A是本发明第九实施方式的电力转换装置的说明图，表示图18的剖面图；

图19B是本发明第九实施方式的电力转换装置的说明图，表示图18的剖面图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是本发明第一实施方式的驱动系统1的说明图。

驱动系统1由电力转换装置50、蓄电池20及驱动用电动机M构成。电力转换装置50具备控制电路10、功率半导体31、二极管32、平滑电容器40等，利用控制电路10控制功率半导体31的输出，控制驱动用电动机M。

蓄电池20向驱动用电动机M供给电力，并且蓄积驱动用电动机M的再生电力。蓄电池20例如作为将铅电池、镍氢电池或锂离子电池等二次电池串联或并列连接多个的蓄电池模块构成。

功率半导体31由例如IGBT等半导体元件构成。二极管32由例如快速恢复二极管(FRD)等半导体元件构成。二极管32防止对功率半导体31通以逆电流，保护功率半导体31。平滑电容器40使功率半导体31的输出电力平滑化。

控制电路10例如在使驱动用电动机M的输出上升时，对各功率半导体31施加栅极电流。由此，向驱动用电动机M供给来自蓄电池20的高电流。

控制电路10通过负荷比等控制栅极电流，由此控制驱动用电动机M的输出。驱动用电动机M再生时，经由电力转换装置50向蓄电池20再生电力。

接着，说明本发明的第一实施方式的电力转换装置50的构造。

图2A、图2B、图3A及图3B是本发明第一实施方式的电力转换装置50的说明图。图2A表示电力转换装置50的上面图。图2B表示功率模块110的结构。图3A表示电力转换装置50的图2A的IIIA－IIIA剖面图。图3B表示电力转换装置50的图2A的IIIB－IIIB剖面图。

电力转换装置50为圆筒形状，以其上面具有平的顶部的冷却器100作为基部，在冷却器100的顶部侧层叠配置各部位。

电力转换装置50例如配备于同样具有圆筒形状的驱动用电动机M的轴向的一端侧。冷却器100及其它结构没有必要其外周形状一定是圆形，也可以是多边形。

在冷却器100的顶部，沿着顶部的圆形状在周向以规定的间隔载置有多个功率模块110。功率模块110是将功率半导体31、二极管32等封入同一封装内并模块化的器件。本实施方式中，在冷却器100的顶部载置有10个功率模块110。

功率模块110具备接收高电压直流电力的供给的PN端子111、输出交流的高频率电力的AC端子112及与后述的控制基板150连接的多个控制信号端子113。

功率模块110在冷却器100的顶部朝向内周侧载置PN端子111，朝向外周侧载置AC端子112及控制信号端子113。AC端子112具备朝向冷却器100的外周侧，并且向冷却器100的上方延伸设置的AC母线114。AC母线114与驱动用电动机M电连接。

在功率模块110的上部侧配置向功率模块110供给直流电力的DC母线120。DC母线120具有沿着冷却器100的顶部的形状的圆环形状。DC母线120具有正极和负极。正极及负极与配备于功率模块110的PN端子分别连接。

在DC母线120的周向外侧的两个部位，向上方向延伸设置有与这些正极和负极连通的一组引脚121、122。

在DC母线120的上面，在周向以规定的间隔载置有多个平滑电容器40。平滑电容器40分别与DC母线120的正极和负极电连接。

在DC母线120的更上方侧配置具有与DC母线120大致同形状的圆环形状的第一基板130。在第一基板130上安装电流传感器131、焊盘132等弱电零件，构成弱电基板。在第一基板130上形成用于避开与向DC母线120的上方侧延伸设置的引脚121、122接触的切口部135、136。

这些DC母线120和第一基板130在内周侧形成有圆形的空洞部分120a。

电流传感器131检测来自功率模块110的AC母线114的输出电流。电流传感器131例如具备霍尔元件而构成，通过向上方侧延伸设置的AC母线114的磁通量变化而检测AC母线114的电流。

焊盘132以圆环状配备于第一基板130的内周侧，作为连接与未图示的驱动用电动机M电连接的连接用配线的连接部而发挥功能。焊盘132例如通过电缆与驱动用电动机M所具备的控制器电连接，输入向驱动用电动机M输入的电力及转速、温度等值。

控制基板150(第二基板)配置在载置于冷却器100的多个功率模块110各自的外周侧。控制基板150具备控制电路10，控制功率模块110的功率半导体31的动作。

控制基板150从冷却器100的顶部沿垂直方向而配备。控制基板150的下方侧与功率模块110的控制信号端子113连接，控制基板150的上方侧与第一基板130的信号端子133连接。因此，控制基板150的下方侧被功率模块110的控制信号端子113支承，其上方侧被第一基板130的信号端子133支承。

如上述，在本发明的第一实施方式中，电力转换装置50在成为基部的冷却器100的上面载置有功率模块110。DC母线120、作为弱电基板的第一基板130按顺序层叠配备在功率模块110的上方侧。而且，控制基板150分别固定于功率模块110和第一基板130上，并各自电连接。

通过这种结构，控制基板150因分别固定于功率模块110和第一基板130的上下两处，所以对于振动及冲击等来自外部的应力，可以提高控制基板150的耐久可靠性。

另外，控制基板150以相对于具备功率半导体31的功率模块110的设置方向为垂直的方式配置，因此，可抑制功率模块110的噪声及热的影响。

另外，由于安装电流传感器131及焊盘132等弱电设备的作为弱电基板的第一基板130与功率模块110及控制基板150分离，所以可以抑制噪声及热对弱电设备的影响。

另外，由于在功率模块110与作为弱电基板的第一基板130之间配置安装于DC母线120的平滑电容器40，所以可以抑制噪声及热对弱电设备的影响。

另外，连接用于通过和驱动用电动机M发送或接收信号的信号线的焊盘132配备于第一基板130的内周侧，输出功率模块110的高频率高电压的AC母线114配备于第一基板130的外周侧。通过该结构，可以抑制AC母线114的噪声及热对信号线的影响。另外，因信号线可集中配置于电力转换装置50的上方侧，所以与驱动用电动机M的连接的作业性提高。

接着，说明本发明第二实施方式的电力转换装置50。

图4、图5A及图5B是本发明第二实施方式的电力转换装置50的说明图。图4表示电力转换装置50的上面图。图5A表示电力转换装置50的图4的VA－VA剖面图。图5B表示电力转换装置50的图4的VB－VB剖面图。

另外，第二实施方式的基本结构与第一实施方式相同，对与第一实施方式相同的结构标注相同的符号，省略其说明。

在第二实施方式中，由挠性基板构成搭载控制电路10的控制基板150，并以圆筒状配置于功率模块110及第一基板130的外周侧。

通过这样构成，在电力转换装置50中，控制基板150可形成为一体形状，另外，由于分别固定于功率模块110和第一基板130上下两处，所以对于振动及冲击等来自外部的应力，可以提高控制基板150的耐久可靠性。

接着，说明本发明第三实施方式的电力转换装置50。

图6、图7A及图7B是本发明第三实施方式的电力转换装置50的说明图。图6表示电力转换装置50的上面图。图7A表示电力转换装置50的图6的VIIA－VIIA剖面图。图7B分别表示电力转换装置50的图6的VIIB－VIIB剖面图。

另外，第三实施方式的基本结构与第一实施方式相同，对与第一或第二的实施方式相同的结构标注相同的符号，省略其说明。

在第三实施方式中，在搭载控制电路10的控制基板150上安装有检测AC母线114的电流的电流传感器131。

这样，在本发明的第三实施方式中，通过在控制基板150侧安装检测AC母线114的电流的电流传感器131，可以使AC母线114和电流传感器131更接近，因此，能够防止因振动等的影响而使检测值产生偏差。

另外，因可以使AC母线114和弱电基板即第一基板130分离，所以第一基板130不易受到AC母线114的高频率高电压的影响。

接着，说明本发明第四实施方式的电力转换装置50。

图8、图9A及图9B是本发明第四实施方式的电力转换装置50的说明图。图8表示电力转换装置50的上面图。图9A表示电力转换装置50的图8的IXA－IXA剖面图。图9B表示电力转换装置50的图8的IXB－IXB剖面图。

此外，第四实施方式的基本结构与第一实施方式相同，对与第一～第三实施方式相同的结构标注相同的符号，省略其说明。

在第四实施方式中，具备安装电流传感器131及焊盘132的基板130，而且还具备第三基板160，第三基板160具备将来自这些电流传感器131及焊盘132的信号与控制基板150连接的信号配线。

更具体而言，如下构成，即，第一基板130安装电流传感器131及焊盘132，将这些信号线在第三基板160上配线，将与该第三基板160连接的信号端子161与控制基板150连接。

在第四实施方式中，可以这样经由第三基板160将弱电基板即第一基板130和强电基板即控制基板分离，所以可以抑制控制基板150的噪声影响弱电设备。

另外，在功率模块110和第一基板130之间不仅介装平滑电容器40，而且介装第三基板160，由此，可以抑制功率模块110的噪声及热影响第一基板130的弱电设备。

接着，说明本发明第五实施方式的电力转换装置50。

图10、图11A及图11B是本发明第五实施方式的电力转换装置50的说明图。图10表示电力转换装置50的上面图。图11A表示电力转换装置50的图10的XIA－XIA剖面图。图11B分别表示电力转换装置50的图10的XIB－XIB剖面图。

此外，第五实施方式的基本结构与第一实施方式相同，对与第一～第四实施方式相同的结构标注相同的符号，省略其说明。

第五实施方式是上述第四实施方式的变形例，是在第一基板130上安装电流传感器131，在第三基板160上安装焊盘132的结构。

第五实施方式中，通过这种结构，可以将特别易受噪声及热的影响的电流传感器131与控制基板150分离。另外，在功率模块110和第一基板130之间，不仅介设有平滑电容器40，而且介设有第三基板160，由此可以抑制功率模块110的噪声及热影响第一基板130的电流传感器131。

另外，由于可以变更焊盘132的配置，所以可以改善与驱动用电动机M的连接性。

接着，说明本发明第六实施方式的电力转换装置50。

图12、图13A及图13B是本发明第六实施方式的电力转换装置50的说明图。图12表示电力转换装置50的上面图。图13A表示电力转换装置50的图12的XIIIA－XIIIA剖面图。图13B分别表示电力转换装置50的图12的XIIIB－XIIIB剖面图。

此外，第六实施方式的基本结构与第一实施方式相同，对与第一～第五实施方式相同的结构标注相同的符号，省略其说明。

第六实施方式是上述第四实施方式及第五实施方式的变形例，是在第一基板130安装有电流传感器131，在该第一基板130和第三基板160分别安装有第一焊盘132A、第二焊盘132B的结构。

在第六实施方式中，通过这样在多个基板上具备不同的焊盘132，信号线的处理的自由度提高，可以改善与驱动用电动机M的连接性。

接着，说明本发明第七实施方式的电力转换装置50。

图14、图15A及图15B是本发明第七实施方式的电力转换装置50的说明图。图14表示电力转换装置50的上面图。图15A表示电力转换装置50的图14的XVA－XVA剖面图。图15B分别表示电力转换装置50的图14的XVB－XVB剖面图。

此外，第七实施方式的基本结构与第一实施方式相同，对与第一～第六实施方式相同的结构标注相同的符号，省略其说明。

第七实施方式与上述第一～第六实施方式不同，将载置于冷却器100的上面的功率模块110以AC母线114及控制信号端子113为内周侧，PN端子111为外周侧的方式进行配置。该功率模块110沿着冷却器100的顶部的圆形状，在周向以规定的间隔载置10个。

与功率模块110的位置对应，将控制基板150分别配置于配置有功率模块110的圆周的内周侧。

在功率模块110的上方侧配置DC母线120，在圆环状的DC母线120的内周侧的两处，向上方向延伸设置引脚121、122。

在DC母线120的上方侧配置第一基板130，在第一基板130的内周侧的两个部位形成用于避开与DC母线120的引脚121、122接触的切口部135、136。配备于第一基板130的焊盘132以圆环状配备于第一基板130的外周侧。

从功率模块110向上方侧延伸设置的AC母线114从DC母线120及第一基板130的内周侧的圆形的空洞部分120a向上方延伸设置。同样，DC母线120的引脚121、122也从DC母线120及第一基板130的内周侧的圆形的空洞部分120a向上方延伸设置。

控制基板150沿着该空洞部分120a，其下方侧固定于功率模块110的控制信号端子113，其上方侧固定于第一基板130的信号端子133。

这样，在第七实施方式中，构成为，将AC母线114及DC母线120从内周侧向上方延伸设置，并在外周侧具备与驱动用电动机M的信号线连接的焊盘132。通过这样的结构，DC母线120、AC母线114及与焊盘132连接的信号线等的处理的自由度提高，可以改善与驱动用电动机M的连接性。

接着，说明本发明第八实施方式的电力转换装置50。

图16、图17A及图17B是本发明第八实施方式的电力转换装置50的说明图。图16表示电力转换装置50的上面图。图17A表示电力转换装置50的图16的XVIIA－XVIIA剖面图。图17B表示电力转换装置50的图16的XVIIB－XVIIB剖面图。

另外，第八实施方式的基本结构与第一实施方式相同，对与第一～第七实施方式相同的结构标注相同的符号，省略其说明。

第八实施方式是上述第七实施方式的变形例，构成为，将控制基板150以分别配置于配置有功率模块110的圆周的内周侧，将AC母线114从内周侧向上方延伸设置。

而且，第八实施方式还与上述的第四实施方式相同，不仅具备安装电流传感器131及焊盘132的基板130，而且还具备第三基板160，第三基板160将来自这些电流传感器131及焊盘132的信号与控制基板150连接。

控制基板150沿着DC母线120及第一基板130的内周侧的圆形的空洞部分120a，其下方侧固定于功率模块110的控制信号端子113，其上方侧固定于第三基板160。

在第八实施方式中，DC母线120的引脚121、122及第一基板130的切口部134、135配备于外周侧，但如上述的第七实施方式，也可以配备于内周侧。

这样，在第八实施方式中，不仅具备第一基板130，而且具备第三基板160，由此，不仅可以起到上述第七实施方式的效果，而且可以起到与上述的第四实施方式相同的效果。

接着，说明本发明第九实施方式的电力转换装置50。

图18、图19A及图19B是本发明第九实施方式的电力转换装置50的说明图。图18表示电力转换装置50的上面图。图19A表示电力转换装置50的图18的XIXA－XIXA剖面图。图19B表示电力转换装置50的图18的XIXB－XIXB剖面图。

另外，第九实施方式的基本结构与第一实施方式相同，对与第一～第八实施方式相同的结构标注相同的符号，省略其说明。

第九实施方式是第七实施方式的变形例，将载置于冷却器100的上面的功率模块110以朝向分别相互不同的方式配置。即，交替配置AC母线114及控制信号端子113在内周侧的功率模块110、和AC母线114及控制信号端子113在外周侧的功率模块110。

此外，第八实施方式中，DC母线120的引脚121、122及第一基板130的切口部134、135配备于外周侧，但如上述的第七实施方式，也可以配备于内周侧。

这样，第七实施方式中，将AC母线114以从内周侧向上方延伸设置的方式构成。通过这样的结构，DC母线120、AC母线114及与焊盘132连接的信号线等的处理的自由度提高，可以改善与驱动用电动机M的连接性。

另外，以上说明的本发明的实施方式只表示显示本发明的构成的一例，不必限定于该构成。另外，也可以组合这些第一～第九实施方式的构成。

另外，在本发明的实施方式中，对具备功率半导体31及二极管32，构成逆变器的电力转换装置50进行了说明，但不限于该构成。在具有半导体元件、与该半导体元件的动作相关的控制基板、弱电基板的半导体装置中，同样可以适用上述的实施方式。

另外，在以上说明的本发明的实施方式中，也可以由具有柔软性的挠性基板构成控制基板150。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式只不过表示本发明的应用例的一部分，而不是将本发明的技术的范围限定为上述实施方式的具体的构成。

本申请基于2012年3月7日在日本国特许厅申请的特愿2012－50627主张优选权。该申请的全部内容通过参照编入到本说明书中。

Claims

1.一种电力转换装置，具备：

功率模块，其具备功率半导体；

基部，其具备冷却所述功率模块的冷却器；

第二基板，其安装有控制所述功率模块的控制电路；

第一母线，其向所述功率模块供给电力；

第二母线，其输出来自所述功率模块的电力；

平滑电容器，其使所述第一母线的电力平滑化；

第一基板，其具备信号配线，

在所述基部的上面载置所述功率模块，并且，所述第一母线、所述平滑电容器、所述第一基板按顺序层叠配备在所述功率模块的上方侧，

所述第二基板沿立设方向配备于所述基部，并分别固定于所述功率模块和所述第一基板。

2.如权利要求1所述的电力转换装置，其中，

还具备第三基板，该第三基板具备检测所述第二母线的电流的电流检测部，

所述第一母线向上方侧延伸设置有引脚，

所述第三基板具有与引线对应的位置被切开的切口部。

3.如权利要求1或2所述的电力转换装置，其中，

所述平滑电容器安装于所述第一母线，并且配置于所述功率模块与所述第一基板之间。

4.如权利要求1～3中任一项所述的电力转换装置，其中，

在所述第一基板或所述第三基板具备连接信号线的连接部，该信号线发送或接收与外部装置之间的信号，

所述连接部配置于所述第一基板或所述第三基板的外周侧或内周侧。