CN106856668A - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的功率转换装置的结构是积蓄直流电的滤波电容器(12)与具备半导体元件模块的元件部(14)配置在同一壳体内，该半导体元件模块进行用于将积蓄在该滤波电容器(12)中的直流电转换成交流电的开关动作，使用连接导体(16)将耐热性比滤波电容器(12)更高的耐热电容器(11)连接至元件部(14)，并且耐热电容器(11)电连接至与连接导体(16)不同的母线(17)，在滤波电容器(12)与元件部(14)之间经由母线(17)、连接导体(16)以及耐热电容器(11)进行电连接。

Description

功率转换装置
技术领域
本发明涉及功率转换装置。
背景技术
现有的功率转换装置为了获得低电感的结构，使用宽幅的连接导体来对电容器端子部和IGBT元件的端子部之间进行电连接(例如专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2011-239679号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在上述现有的功率转换装置中，例如在采用将碳化硅(SiC)作为原材料制作的开关元件(以下记为“SiC元件”)那样元件容许温度较高的开关元件的情况下，经由连接导体传递至电容器的温度也变高，因此存在必须使用具有耐热性的电容器(以下称为“耐热电容器”)，从而成本变高的问题。
此外，为了避免增加成本，虽然也可以不使用耐热电容器来构成，但是在该情况下，开关元件与电容器之间的距离变长，结果导致装置的尺寸变大的问题，并且还存在损害低电感性的其它问题。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能抑制成本增加及尺寸增大，并且不会损害低电感性的功率转换装置。
解决技术问题的技术方案
为了解决上述的问题并实现目的，本发明的功率转换装置的结构是积蓄直流电的滤波电容器与半导体元件模块配置在同一壳体内，该半导体元件模块进行用于将积蓄在该滤波电容器中的直流电转换成交流电的开关动作，该功率转换装置具有以下特征：所述滤波电容器被分为第一电容器和耐热性比所述第一电容器更高的第二电容器，所述第二电容器使用连接导体来连接至所述半导体元件模块，并且所述第二电容器电连接至与所述连接导体不同的母线，所述第一电容器经由所述母线、所述连接导体以及所述第二电容器与所述半导体元件模块进行电连接。
发明效果
根据本发明，起到如下效果：能抑制成本增加及尺寸增大，并且能实现开关元件与电容器之间的低电感。
附图说明
图1是表示实施方式1的功率转换装置的主电路结构的图。
图2是表示将实施方式1的功率转换装置搭载于铁路车辆时的一个结构例的图(俯视图)。
图3是从箭头A的方向观察图2所示的功率转换装置的内部时的侧视图。
图4是表示耐热电容器的一个结构示例的立体图。
图5是表示实施方式2的功率转换装置的不同于图2的一个结构例的图(俯视图)。
图6是表示实施方式3的功率转换装置的不同于图2及图5的一个结构例的图(俯视图)。
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。另外，本发明并不局限于以下示出的实施方式。
实施方式1.
图1是表示实施方式1的功率转换装置的主电路的结构的图。主电路100如图1所示，具备半导体元件模块101～106来构成。搭载于半导体元件模块101～106的开关元件是例如SiC元件。另外，SiC具有带隙大于硅(Si)的特性，因此SiC是被称为宽带隙半导体的半导体的一个例子。除了该SiC以外，例如使用氮化镓类材料、或金刚石所形成的半导体也属于宽带隙半导体，使用将宽带隙半导体作为原材料制成的元件的结构也是本发明的要点。
返回至图1，在正侧(高电位侧)的直流母线200P与负侧(低电位侧)的直流母线200N之间，串联连接有构成正侧臂的半导体元件模块101与构成负侧臂的半导体元件模块102，半导体元件模块101、102的连接点被引出从而形成U相交流(AC)端子。以下同样，构成正侧臂的半导体元件模块103与构成负侧臂的半导体元件模块104串联连接在直流母线200P、200N之间，半导体元件模块103、104的连接点被引出从而形成V相交流端子，构成正侧臂的半导体元件模块105与构成负侧臂的半导体元件模块106串联连接在直流母线200P、200N之间，半导体元件模块105、106的连接点被引出从而形成W相交流端子。
具有正极(P)及负极(N)的电位的第一电容器即滤波电容器120连接至直流母线200P、200N。在实施方式1的功率转换装置中，除滤波电容器120以外，还具有耐热性相对于滤波电容器120较高的第二电容器即耐热电容器110a、110b、110c。滤波电容器120电连接至直流母线200P、200N，而耐热电容器110a～110c分别连接至由各正侧臂的半导体元件模块与各负侧臂的半导体元件模块形成的串联电路(以下根据需要称为“桥臂电路”)。另外，如图所示，耐热电容器110a～110c与滤波电容器120并联连接，因此能补全作为滤波电容器的功能的一部分。半导体元件模块101～106进行用于将积蓄在滤波电容器120和耐热电容器110a～110c中的直流电转换成交流电的开关动作。
半导体元件模块101具有晶体管元件的一个例子即IGBT111、以及与该IGBT111反向并联连接的续流二极管(以下记为“FWD”)112来构成，IGBT111的集电极与FWD112的阴极连接形成端子C1,IGBT111的发射极与FWD112的阳极连接形成端子E1。半导体元件模块102具有IGBT121、以及与IGBT121反向并联连接的FWD122来构成，IGBT121的集电极与FWD122的阴极连接形成端子C2,IGBT121的发射极与FWD122的阳极连接形成端子E2。
接着，对于实施方式1的功率转换装置的结构，参照图1～图4进行说明。图2是表示将实施方式1的功率转换装置搭载于铁路车辆时的一个结构例的图，是从车辆上部侧向轨道侧观察搭载于铁路车辆的功率转换装置1的内部时的正视图。图3是从箭头A的方向观察图2所示的功率转换装置的内部时的侧视图。图4是表示耐热电容器11的一个结构例的立体图。
功率转换装置1具备栅极控制单元2、断路器和I/F单元3、逆变器控制部4以及散热器5来构成。此外，逆变器控制部4具有栅极驱动电路10、耐热电容器11、滤波电容器12、元件部14、母线17、以及遮蔽板18等来构成。另外，在实际的车辆搭载状态中，除了散热器5以外，栅极控制单元2、断路器和I/F单元3以及逆变器控制部4收纳于壳体6的内部并与外部空气隔离。另一方面，散热器5构成为安装在壳体6的外部使得散热器5与外部空气接触，可根据需要利用冷却风进行冷却。
元件部14是包含图1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。断路器和I/F单元3是具有切断流过主电路100的电流的功能、以及进行栅极控制单元2与栅极驱动电路10之间的信号收发的功能的结构部。栅极驱动电路10是基于栅极控制单元2所生成的控制信号，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是积蓄功率转换所需要的直流电的结构部(供电源)。
耐热电容器11中，如图4所示，在耐热电容器11的壳体的第一面设置6个连接导体16，在位于该第一面的相反侧(背面侧)的第二面设置2个连接端子22。耐热电容器11与元件部14通过连接导体16进行电连接。连接导体16是将元件部14的直流侧端子15与耐热电容器11进行电连接的导体。另外，如图4中示出将连接导体16形成为曲柄形状时的一个示例，图2中示出将连接导体16形成为L字形状时的一个示例那样，只要具有电连接功能即可，其形状是任意的(例如直线状)。例如，若将耐热电容器11上用于引出连接导体的位置设为与第二面正交的第三面，则能将连接导体形成为直线状。
耐热电容器11通过2个连接端子22与母线17连接。母线17典型的有例如经由绝缘物重叠薄铜板来以低电感构成的层叠母线、用例如树脂制薄膜即层压板材覆盖层叠母线的外部表面而形成的层压母线等。
滤波电容器12不与元件部14连接，而与母线17连接。即，滤波电容器12和元件部14的电连接经由母线17、耐热电容器11以及连接导体16构成。滤波电容器12不与元件部14直接连接，因此能与元件部14隔开距离来配置。另一方面，耐热电容器11的耐热性比滤波电容器12更高，因此能配置在元件部14的附近。
另外，耐热电容器11为了减轻对滤波电容器12的热影响而设置，其电容值可以较小。实施方式1中，使用了电容值比滤波电容器12更小的电容器，因此尺寸也变小，从而产生未配置结构物的空间。因此，实施方式1中，在未配置结构物的空间设置用于遮蔽热量的遮蔽板18。
接着，对实施方式1所涉及的功率转换装置具备的作用进行说明。另外，在此处的说明中，假设元件部14的半导体元件模块为SiC元件。
在SiC元件的情况下，与现有的Si元件相比，能将半导体元件模块的容许温度较高地设定成例如50℃左右。因此，若SiC元件进行开关动作，则其发热量变得比Si元件要大得多。虽然由开关动作产生的大部分热量向散热器5的方向移动并从散热片进行散热，但一部分热量会移动至电容器侧。
另一方面，在实施方式1中，将耐热性相对较高的耐热电容器11配置在比滤波电容器12更靠近元件侧，因此能减小滤波电容器12受到的热量的影响。尤其是，实施方式1中，以填补未配置结构物的空间的方式设置遮蔽板18，该遮蔽板18对由对流、辐射造成的热量流动进行遮蔽，因此不需要将耐热电容器11设为所需以上的尺寸，从而有效地抑制成本增加。
热量流动除对流、辐射以外还存在热传导。滤波电容器12需要与元件部14的直流部进行电连接，存在经由电连接的连接导体进行热传导而造成的热量移动。实施方式1中，对于热量移动量比对流、辐射更大的热传导，构成为将作为发热源的元件部14不与构成大部分滤波电容的滤波电容器12连接，而与耐热电容器11连接，因此无需过多提高滤波电容器12的耐热性，即使使用了SiC元件，也能抑制滤波电容器12的成本增加。
如上述说明的那样，根据实施方式1的功率转换装置，将要构成为滤波电容器的电容器分为第一电容器和耐热性高于该第一电容器的第二电容器，该第二电容器使用连接导体来连接至半导体元件模块，并且还电连接至与该连接导体不同的母线，第一电容器与半导体元件模块之间的电连接经由母线、连接导体及第二电容器来实现，因此取得如下效果：能抑制成本及尺寸的增加，并且在开关元件与电容器之间构成为低电感。
此外，根据实施方式1的功率转换装置，将耐热电容器11的尺寸形成得比滤波电容器12的尺寸更小，在由于耐热电容器11与1个滤波电容器12的尺寸差异所产生的空间设置遮蔽板，因此能有效地遮蔽由对流、辐射造成的热量流动。
实施方式2.
图5是表示实施方式2的功率转换装置不同于图2的一个结构例的图(俯视图)，从图2所示功率转换装置的结构中，去除了遮蔽板18，将该空出的空间构成作为用于减小热对流的影响的隔离空间28。另外，对于其他结构，与图2所示的实施方式1的结构相同或等同，对这些共同的构成部标注相同的标号并省略重复的说明。
在元件部14产生的热量通过对流移动的情况下，被加热的空气向与重力相反的方向移动。即，在图5中，从纸面的背面侧向正面侧发生热量的移动。由此，若如实施方式1那样即便不设置遮蔽板也进行热学设计来形成用于减小热对流的影响隔离空间28，则能使用耐热性不高的以往的滤波电容器，能获得抑制成本增加这样的效果。
如上述说明的那样，根据实施方式2的功率转换装置，将耐热电容器的尺寸形成得比滤波电容器的尺寸更小，将由耐热电容器与1个滤波电容器的尺寸的差异产生的空间构成为用于减小热对流的影响的隔离空间，因此不需要如实施方式1那样设置遮蔽板，能够减少元器件数量，能抑制成本增加。
实施方式3.
图6是表示实施方式3的功率转换装置不同于图2及图5的一个结构例的图(俯视图)，在图5所示的功率转换装置的结构中，用于减小热对流的影响的隔离空间28被耐热电容器11的壳体填补。另外，若与图2的结构相比，可以认为使耐热电容器11的壳体起到遮蔽板(遮蔽物)的作用。
根据实施方式3的功率转换装置，虽然耐热电容器11的尺寸变大，但耐热电容器11的电容值(电容)变大，因此能减小滤波电容器12的电容值。因此，与实施方式1、2相比，能减小滤波电容器12的尺寸，可获得能使功率转换装置的结构变得紧凑的效果。
此外，以上的实施方式1～3所示的结构是本发明结构的一个示例，也可以与其它公知技术进行组合，在不脱离本发明要点的范围内，当然也可以省略一部分等或进行变更来构成。
此外，在实施方式1～3中，搭载在半导体元件模块101～106中的开关元件作为用以SiC元件为代表的宽带隙半导体形成的开关元件进行了说明，但只要是能进行高速的开关驱动的开关元件，也会产生上述那样的问题。因此，使用以Si元件为代表的窄带隙半导体形成的开关元件的情况也是本发明的要点。
工业上的实用性
由此，本发明作为抑制增加成本及尺寸并且不会损害低电感性的功率转换装置是有用的。
标号说明
1 功率转换装置
2 栅极控制单元
3 断路器和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
11、110a～110c 耐热电容器(第二电容器)
12、120 滤波电容器(第一电容器)
14 元件部
15 直流侧端子
16 连接导体
17 母线
18 遮蔽板
22 连接端子
28 隔离空间
100 主电路
101～106 半导体元件模块
200P、200N 直流母线

Claims (8)

1.一种功率转换装置，其结构是积蓄直流电的滤波电容器与半导体元件模块配置在同一壳体内，该半导体元件模块进行用于将积蓄在该滤波电容器中的直流电转换成交流电的开关动作，该功率转换装置的特征在于，
所述滤波电容器被分为第一电容器和耐热性比所述第一电容器更高的第二电容器，
所述第二电容器使用连接导体来连接至所述半导体元件模块，并且所述第二电容器电连接至与所述连接导体不同的母线，
所述第一电容器经由所述母线、所述连接导体以及所述第二电容器电连接至所述半导体元件模块。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，所述第二电容器在从所述半导体元件模块观察时配置成遮蔽所述第一电容器。
3.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，在所述第二电容器的壳体的第一面上设置有用于与所述连接导体连接的第一端子，
在所述第二电容器的壳体的与所述第一面不同的第二面上设置有用于与所述母线连接的第二端子。
4.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，所述第二电容器的尺寸形成得比所述第一电容器的尺寸更小，
将由于所述第一电容器及所述第二电容器的尺寸差异所产生的空间作为用于减小热对流的影响的隔离空间。
5.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，所述第二电容器的尺寸形成得比所述第一电容器的尺寸更小，
将遮蔽板设置在由于所述第一电容器及所述第二电容器的尺寸差异所产生的空间中。
6.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，所述连接导体为L字形状、曲柄形状或者直线状。
7.如权利要求1或6所述的功率转换装置，其特征在于，搭载于所述半导体元件模块的开关元件利用宽带隙半导体形成。
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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