CN104218829B - 逆变器单元 - Google Patents

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Abstract

公开了一种逆变器单元，其包括以预定间隔布置以便面向彼此的第一电路板和第二电路板。第一电路板和第二电路板中的每个电路板具有主电路形成区域。多个功率器件被安装在第一电路板的主电路形成区域中，并且形成主电路，该主电路包括多个功率器件。多个电容器电连接至该多个功率器件，并且安装在第二电路板的主电路形成区域中。控制电路控制主电路的操作。第二电路板包括与主电路形成区域分离的控制电路形成区域。控制电路包括在第二电路板的控制电路形成区域中形成的第一控制电路。连接到功率器件之间的节点的输出端子被布置在第一电路板上，并且输出端子穿过第二电路板上的主电路形成区域而突出。

Description

逆变器单元
技术领域
本发明涉及一种逆变器单元，该逆变器单元具有以预定间隔布置以面向彼此的一对电路板。
背景技术
日本未审查专利公开第2000-133768号公开了功率半导体模块。该功率半导体模块包括其中依次层压了金属板、绝缘层和铜箔图案的绝缘金属基板。铜箔图案包括具有功率半导体器件诸如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的主电路图案区域，以及具有控制半导体器件的控制电路图案区域。主电路图案区域与控制电路图案区域被线性分离器彼此分离。
在具有功率半导体器件的主电路图案区域与具有控制半导体器件的控制电路图案区域被线性分离器彼此分离的上述功率半导体模块中，可以通过金属板来抑制功率半导体器件的切换所产生的噪声传送到控制半导体器件。
对于作为半导体模块的逆变器单元的尺寸缩小以及输出功率增大有越来越多的需求。为了满足这样的需求，提出了：应当将逆变器单元的电路部件，包括多个功率器件、多个电容器和控制器件，分离地布置在多个电路板上，并且这样的电路板应当彼此相距预定间隔来布置。在这样的逆变器单元中，在包括功率器件和电容器的主电路中有大电流流动，而在包括用于控制主电路的切换的控制器件的控制电路中有相比于主电路中的电流相对小的电流流动。尽管逆变器单元的各个部件具有不同的尺寸和形状，但是主电路的部件和控制电路的部件在逆变器单元的单个电路板上的混合布置可以增大部件的安装密度并且实现逆变器单元的尺寸缩小。
然而，上述逆变器单元具有以下问题：在功率器件的切换期间出现噪声，并且由于大电流在主电路中流动而出现高发热。因此，需要抑制噪声和热量传送至逆变器单元的控制电路。
本发明旨在提供一种抑制功率器件的噪声产生和主电路的发热对逆变器单元的控制电路造成的影响的逆变器单元。
发明内容
根据本发明的一个方面，逆变器单元包括以预定间隔布置以便面向彼此的第一电路板和第二电路板。第一电路板和第二电路板中的每个电路板具有主电路形成区域。多个功率器件安装在第一电路板的主电路形成区域中，并且形成主电路，该主电路包括多个功率器件。多个电容器电连接至该多个功率器件，并且安装在第二电路板的主电路形成区域中。控制电路控制主电路的操作。第二电路板包括与主电路形成区域分离的控制电路形成区域。控制电路包括在第二电路板的控制电路形成区域中形成的第一控制电路。连接到功率器件之间的节点的输出端子被布置在所述第一电路板上，并且输出端子穿过第二电路板上的主电路形成区域而突出。
根据下面的描述，结合附图，本发明的其他方面和优点将变得明显，该附图通过示例示出了本发明的原理。
附图说明
参照本优选实施方式的以下描述和附图，可以最佳地理解本发明以及本发明的目的和优点，在附图中：
图1是根据本发明的实施方式的逆变器单元的分解透视图；
图2是图1的逆变器单元的主电路的等效电路视图；
图3A和图3B分别是图1所示的主电路板和电容器电路板的平面视图；以及
图4A和图4B分别是根据本发明的实施方式的变型的主电路板和电容器电路板的平面视图。
具体实施方式
下面将参照附图描述根据本发明的实施方式的逆变器单元。在附图中，相同部件或具有相同特征的部件由相同的符号表示，并且将省略对其的重复描述。注意，为了附图的清晰，使用与实际元件的尺寸比率不同的尺寸比率示出了附图中的一些元件。
参照图1，数字1表示根据本发明的实施方式的逆变器单元。逆变器单元1是用于驱动三相电机的三相逆变器单元。
如图2所示，逆变器单元1的主电路跨正输入端P和负输入端N而被供电，并且包括连接在三相桥配置中的六个功率器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，诸如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，以及分别与功率器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6反向并联连接的飞轮(flywheel)二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6。IGBT可以用作为功率器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6。
功率器件Q1、Q2跨正输入端P和负输入端N串联连接。U相输出端U连接至功率器件Q1、Q2之间的节点。功率器件Q3、Q4跨正输入端P和负输入端N串联连接。V相输出端V连接至功率器件Q3、Q4之间的节点。功率器件Q5、Q6跨正输入端P和负输入端N串联连接。W相输出端W连接至功率器件Q5、Q6之间的节点。
电容器C跨正输入端P和负输入端N连接。功率器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6连接至控制每个功率器件的切换的驱动电路A。在图2中，各个功率器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6等效地表示器件组，每个该器件组包括多个功率器件，或例如四个彼此并联的功率器件。
参照图1、图3A和图3B，下面将对逆变器单元1的结构进行描述。逆变器单元1包括主电路板10(第一电路板)、电容器电路板20(第二电路板)、多个功率器件30、多个电容器50、控制电路60(第一控制电路)、多个输出端子70、多个继电器电极80以及多个电流检测器90。
主电路板10和电容器电路板20通过间隔件M以预定间隔靠近布置，以面向彼此。间隔件M由绝缘材料，诸如树脂或陶瓷制成，形成为框架形状，并且沿着主电路板10和电容器电路板20的侧边缘而布置。间隔件M保持主电路板10与电容器电路板20之间的距离恒定。主电路板10包括IMS(绝缘金属基板),并且布置在由诸如铝或铜的平坦金属板形成的散热器H上。电容器电路板20包括公知的印制电路板。
功率器件30安装在主电路板10上。在本实施方式中，多个功率器件，或例如四个并联的功率器件30形成每个相的上臂元件和下臂元件。具体地，功率器件30对应于图2中的功率器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6。主电路板10具有主电路形成区域，功率器件30安装在该主电路形成区域中从而形成主电路的一部分。电容器50安装在电容器电路板20上，并且电连接至功率器件30。电容器50对应于图2所示的电容器C。电容器电路板20具有其中安装有电容器50的主电路形成区域(后面描述为区域A1)。
控制电路60形成在电容器电路板20上，并且用于各种控制目的，例如，控制主电路板10的主电路的功率器件30的切换。控制电路60对应于图2中的驱动电路A的一部分。各个相，或者U相、V相、W相的输出端子70布置在主电路板10上，并且通过在电容器电路板20中形成的孔20H而突出。输出端子70对应于图2中的U相输出端子、V相输出端子和W相输出端子。
当主电路板10与电容器电路板20以彼此面向的关系组装在一起时，继电器电极80安装在主电路板10上，并且电连接至电容器电路板20上的预定布线图案。继电器电极80对应于图2中的正输入端P和负输入端N。
电流检测器90布置在电容器电路板20上，用于检测主电路的输出电流。具体地，每个电流检测器90由U形铁芯91和电流检测元件92组成，U形铁芯91由磁性钢板制成，并且形成为围绕输出端子70，电流检测元件92设置在U形铁芯91的相对末端之间的开口中。霍尔元件用作为电流检测元件92。
如图3B所示，电容器电路板20具有基本上矩形板形状。电容器电路板20由区域A1(主电路形成区域)和区域A2(控制电路形成区域)形成，区域A1和区域A2被分离地布置，沿着矩形电容器电路板20的长边21、22延伸。区域A1和区域A2中的每个区域具有基本上矩形形状。
通过沿着矩形电容器电路板20的长边延伸的基本线性边界区域B2(第二边界区域)，区域A1和区域A2彼此分离。例如，边界区域B2可以通过在电容器电路板20的布线图案中形成的直线切割来形成。电容器电路板20的孔20H形成在电容器电路板20的区域A1中。
电容器50布置在电容器电路板20的区域A1中。孔20H形成在上述电容器电路板20的区域A1中，使得从孔20H突出的输出端子70也布置在电容器电路板20的区域A1中。用于电连接至继电器电极80的端子(图中未示出)也布置在电容器电路板20的区域A1中。控制电路60布置在电容器电路板20的区域A2中。
因此，在电容器电路板20中，其中流动相对大的电流的主电路的部件，诸如电容器50和输出端子70，被共同地布置在区域A1中，而其中流动相对小的电流的控制电路60被布置在电容器电路板20的区域A2中。也就是说，在电容器电路板20中，主电路和控制电路彼此分离地布置。
如上所述，逆变器单元1包括以预定间隔来布置以面向彼此的主电路板10和电容器电路板20、布置在主电路板10上的功率器件30、布置在电容器电路板20上的电容器50和控制电路60。具体地，电容器电路板20具有彼此分离的区域A1和区域A2。分别地，电容器50布置在电容器电路板20的区域A1中，而控制电路60布置在电容器电路板20的区域A2中。
也就是说，在电容器电路板20中，与功率器件30组成主电路并且其中流动主电流的电容器50以及其中流动控制电流的控制电路60被分离地布置，而不是在电容器电路板20上混合。电容器电路板20具有两个分离的区域，即，其中流动大电流的区域A1以及其中流动小电流的区域A2。因此，通过主电路板10中的功率器件30、电容器电路板20中的电容器50和控制电路60的分离布置，根据本实施方式的逆变器单元1可以减小其尺寸，并且抑制在功率器件30的切换期间所产生的噪声对控制电路60的影响以及主电路的热量对控制电路60的影响。
在逆变器单元1中，提供由基本线性边界区域B2划分的区域A1和区域A2允许其中流动大电流的区域和其中流动小电流的区域的分离布置。此外，提供区域A2中的电流检测元件92允许通过抑制噪声的影响来增大电流检测器90的检测灵敏度。
上述实施方式处理了根据本发明的逆变器单元的实施方式。本发明不限于上述实施方式，而是可以以下面所例举的各种方式来实现本发明。
参照图4A和4B，根据本发明的第一实施方式的变型的逆变器单元1包括：对应于图1的主电路板10的主电路板10A；以及控制电路40，该控制电路40形成在主电路板10A上作为第二控制电路，并且对应于图1的电容器电路板20上的控制电路60的一部分。控制电路40可以是用于控制功率器件30的切换的驱动电路A。
类似于电容器电路板20，主电路板10A具有基本上矩形板形状。通过沿着矩形主电路板10A的长边11、12延伸的边界区域B1(第一边界区域)，主电路板10A被分成区域A3(主电路形成区域)和A4(控制电路形成区域)。区域A3和区域A4具有基本上矩形形状。
功率器件30、输出端子70和继电器电极80布置在主电路板10A的区域A3中。具体地，每个臂元件的四个功率器件30沿着矩形主电路板10A的短边，被布置在主电路板10A的区域A3中。输出端子70和继电器电极80布置在沿着主电路板10A的长边延伸的区域A3的中央，并且布置在各个臂元件的两组功率器件30(即，邻近主电路板10A的长边11的一组功率器件30以及邻近边界区域B1的另一组功率器件30)之间。控制电路40布置在主电路板10A的区域A4中。
因此，在主电路板10A中，组成主电路并且其中流动相对大的电流的部件，诸如功率器件30、输出端子70和继电器电极80，被共同地布置在区域A3中，而其中流动相对小的电流的控制电路40被布置在主电路板10A的区域A4中。也就是说，在主电路板10A中，主电路和控制电路也彼此分离地布置。
随着主电路板10A和电容器电路板20组装在一起，电容器电路板20的区域A1被定位为面向主电路板10A的区域A3，并且电容器电路板20的区域A2被定位为面向主电路板10A的区域A4。因此，电容器电路板20的区域A1、A2被形成为沿着与主电路板10A的区域A3、A4相同的方向延伸。也就是说，主电路板10A的区域A3和电容器电路板20的区域A1被定位在逆变器单元1的相同侧。电容器电路板20的区域A1、A2通过边界区域B2来分离，该边界区域B2沿着与主电路板10A的边界区域B1相同的方向延伸。
如上所述，电容器50布置在电容器电路板20的区域A1中。随着主电路板10A与电容器电路板20以面对关系组装在一起，主电路板10A上的功率器件30与电容器电路板20上的电容器50靠近布置以面向彼此。
根据本发明的实施方式的上述变型的逆变器单元1包括：以预定间隔布置以面向彼此的主电路板10A和电容器电路板20、布置在主电路板10A上的功率器件30和控制电路40、以及布置在电容器电路板20上的电容器50和控制电路60。主电路板10A具有彼此分离的区域A3和区域A4。电容器电路板20具有彼此分离的区域A1和区域A2。
在主电路板10A中，功率器件30和控制电路40分别在区域A3和区域A4中分离地布置。在电容器电路板20中，电容器50和控制电路60分别在区域A1和区域A2中分离地布置。也就是说，组成主电路的功率器件30和电容器50、以及控制电路40、60分别被分离地布置，而不在主电路板10A和电容器电路板20上混合。因此，根据本发明的实施方式的变型的逆变器单元1允许抑制在主电路中产生的热量和噪声产生对控制电路的影响。
在根据本发明的实施方式的变型的逆变器单元1中，随着主电路板10A与电容器电路板20靠近组装以面向彼此，主电路板10A上的功率器件30和电容器电路板20上的电容器50被定位为靠近以面向彼此。随着主电路板10A与电容器电路板20组装在一起，输出端子70和继电器电极80位于主电路板10A的区域A3中以及电容器电路板20的区域A1中。在根据本发明的实施方式的变型的、其中共同地布置主电路的逆变器单元1中，主电路的电路电感减小，并且主电路的图案长度变短，结果是抑制了主电路中的发热和噪声产生。
在根据本发明的实施方式的变型的、其中控制电路的一部分，或控制电路40也被布置在主电路板10A上的逆变器单元1中，可以实现高密度安装部件并且减小逆变器单元的尺寸。相比于控制电路仅被布置在电容器电路板20上的情况，将控制电路的多个部分布置在电容器电路板20和主电路板10两者上允许减小电容器电路板20和主电路板10的尺寸。此外，在根据本发明的实施方式的变型的、其中主电路板10A的区域A3和区域A4通过边界区域B1而彼此分离的逆变器单元1中，其中流动大电流的区域(区域A3)和其中流动小电流的区域(区域A4)被分离。
此外，在根据本发明的实施方式的变型的逆变器单元1中，其中流动大电流的区域A1、A3和其中流动小电流的区域A2、A4不仅分别在主电路板10A和电容器电路板20中分离，而且在整个逆变器电路1中分离。因此，可以有效地抑制由于功率器件30的切换而产生的噪声对控制电路的影响以及主电路的发热对控制电路的影响。

Claims (5)

1.一种逆变器单元(1)，包括：
第一电路板(10，10A)和第二电路板(20)，所述第一电路板(10，10A)和第二电路板(20)以预定间隔布置以面向彼此，并且具有相应的主电路形成区域(A1，A3)；
多个功率器件(30)，所述多个功率器件(30)安装在所述第一电路板(10，10A)的所述主电路形成区域(A3)中；
主电路，所述主电路包括所述多个功率器件(30)；
多个电容器(50)，所述多个电容器(50)电连接至所述多个功率器件(30)，并且安装在所述第二电路板(20)的所述主电路形成区域(A1)中；以及
控制电路(60)，所述控制电路(60)控制所述主电路的操作，
其特征在于，所述第二电路板(20)包括与所述第二电路板(20)的所述主电路形成区域(A1)分离的控制电路形成区域(A2)，并且所述控制电路(60)包括在所述第二电路板(20)上的所述控制电路形成区域(A2)中形成的第一控制电路，
其中，连接到所述功率器件(30)之间的节点的输出端子(70)被布置在所述第一电路板(10，10A)上，并且其中，所述输出端子(70)穿过所述第二电路板(20)上的所述主电路形成区域(A1)而突出。
2.根据权利要求1所述的逆变器单元(1)，其中，所述第一电路板(10A)包括与所述主电路形成区域(A3)分离的控制电路形成区域(A4)，其中，所述控制电路(60)包括在所述第一电路板(10A)上的所述控制电路形成区域(A4)中形成的第二控制电路。
3.根据权利要求2所述的逆变器单元(1)，其中，所述第一电路板(10A)上的所述主电路形成区域(A3)和所述控制电路形成区域(A4)被第一基本线性边界区域(B1)彼此分离，其中，所述第二电路板(20)上的所述主电路形成区域(A1)和所述控制电路形成区域(A2)被第二基本线性边界区域(B2)彼此分离，所述第二基本线性边界区域(B2) 沿着与第一边界区域(B1)的延伸方向相同的方向延伸。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的逆变器单元(1)，其中，所述第一电路板(10，10A)上的所述主电路形成区域(A3)和所述第二电路板(20)上的所述主电路形成区域(A1)被定位在所述逆变器单元(1)的相同侧。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的逆变器单元(1)，其中，还包括：
电流检测器(90)，所述电流检测器(90)检测所述主电路的输出电流，其中，所述电流检测器(90)的电流检测元件(92)被布置在所述第二电路板(20)的所述控制电路形成区域(A2)中。
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