CN107148731B - 电力转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于提供一种电力转换装置，其不受电磁干扰的影响地确保绝缘，可实现进一步小型化。本发明的电力转换装置具备将直流电流转换为交流电流并且具有直流正极端子以及直流负极端子的功率半导体模块、具有配置于上述直流正极端子以及直流负极端子之间的绝缘部的树脂制罩部，上述罩部保持覆盖上述直流正极端子与上述直流负极端子的金属制部件。

Description

电力转换装置

技术领域

本发明涉及将直流电力转换为交流电力或将交流电力转换为直流电力的电力转换装置，尤其涉及适于搭载于车辆上的电力转换装置。

背景技术

谋求混合动力汽车或电动汽车的小型化的同时，要求用于这些的电力转换装置的小型化。因此，通过使用于电力转换装置的功率半导体模块等的各部件的小型化、各部件的配置距离靠近、如使电路基板与功率半导体模块的配置距离靠近而产生的无信号区的削减，可实现电力转换装置的小型化。

可是，在进行各部件的小型化、配置距离靠近的情况下，尤其涉及流经电力的部件，由于必须防止电力转换装置的误操作与触电的危险，因此需要为考虑了电磁干扰的影响、绝缘距离的形状、配置。在专利文献1中，构成为，为了确保绝缘距离将电路基板与功率半导体模块的配置距离分离的结构。

可是，在以向车辆上的搭载为前提的基础上，需要如机箱的低背面化而产生的小型化、省空间化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第5563383号

发明内容

发明所要解决的课题

本发明的课题是提供一种不受电磁干扰的影响且确保绝缘的、可进一步小型化的电力转换装置。

用于解决课题的方法

涉及本发明的电力转换装置其特征为：具备将直流电流转换为交流电流并且具有直流正极端子以及直流负极端子的功率半导体模块、具有配置于上述直流正极端子以及直流负极端子之间的绝缘部的树脂制的罩部，上述罩部保持覆盖上述直流正极端子和上述直流负极端子的金属制部件。

发明效果

根据本发明，能够使搭载于电力转换装置上的功率半导体模块与电路基板靠近，可实现由低背面化而带来的的电力转换装置的小型化。

附图说明

图1是电力转换装置100的外观立体图。

图2是为了说明图1所示的电力转换装置100的整体结构而分解为构成元件的立体图。

图3(a)是功率半导体模块300a的立体图。

图3(b)是在通过图3(a)所示的I-I的平面上剖开、从方向J观察的剖视图。

图4(a)是表示从图3(a)所示的状态中拆下模块壳体301、第二密封树脂302以及绝缘部件307的功率半导体模块300a的立体图。

图4(b)是在通过图4(a)所示的I-I的平面上剖开、从方向J观察的剖视图。

图5是表示从图4(a)所示的状态中拆下第一密封树脂305以及端子绝缘部306的功率半导体模块300a的立体图。

图6是表示从图5所示的状态中将导体板320以及导体板321分离的功率半导体模块300a的立体图。

图7是罩部700的外观立体图。

图8是在图7所示的A-A平面上剖开罩部700、从B方向观察的剖视图。

图9是在图7所示的C-C平面上剖开罩部700、从D方向观察的剖视图。

图10是从图1所示的状态中拆下冷却水流入用导管210in、冷却水流出用导管210out、机箱下部罩220、电容器模块230、模制汇流条240、直流输入汇流条250p以及250n、控制-驱动电路基板260、机箱上部罩270的电力转换装置100的图。

图11是在图10中追加控制-驱动电路基板260、在通过图10所示的E-E 的平面上剖开电力转换装置100并从F方向观察的罩部700附近的放大剖视图。

图12是在图10中追加控制-驱动电路基板260、在图10所示的G-G平面上剖开电力转换装置100并从H方向观察的罩部700附近的放大剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图，关于涉及本发明的电力转换装置的实施方式进行说明。并且，在各图中相同要素标注相同的符号，重复的说明省略。

涉及本实施方式的电力转换装置100是主要使用于混合动力汽车、电动汽车的装置。其车辆系统的一例记载于日本特开2011-217550号公报中。并且，涉及本实施方式的电力转换装置100为了实现其效果也可用于其他用途。例如可以使用于将生产性提高、冷却性能提高作为目的的冰箱、空调的家电用转换器。还可以使用于使用环境与车辆用转换器类似的工业设备用转换器中。

图2是为了说明涉及本实施方式的电力转换装置100的整体结构而分解为构成要素的立体图。

电力转换装置100由机箱壳体200、冷却水流入用导管210in、冷却水流出用导管210out、机箱下部罩220、电容器模块230、功率半导体模块300a 至300c、内置有电流传感器、交流电力用汇流条、直流正极电力用汇流条与直流负极用汇流条的模制汇流条240、直流电力输入汇流条250p以及250n、控制-驱动电路基板260、机箱上部罩270等构成。

机箱壳体200是由如铝合金构成、具备一对短边壁部和长边壁部的箱状长方体。另外，机箱壳体200收纳电容器模块230、功率半导体模块300a至300c、模制汇流条240、直流电力输入汇流条250p以及250n、控制-驱动电路基板260 等。

冷却水流入用导管210in以及冷却水流出用导管210out插入机箱壳体200，供冷却介质流入或流出。

机箱下部罩220以覆盖机箱壳体下面200a的方式组装。另外，机箱上部罩270在机箱壳体200中收纳各部件之后以覆盖机箱壳体上面200b的方式组装。罩部700配置于功率半导体模块300a至300c的上方。

使用图3(a)至图5说明使用于电力转换装置中的功率半导体300a至300c。上述功率半导体300a至300c无论哪一个都是相同的结构，作为代表说明功率半导体300a的结构。

图3(a)是本实施方式中的功率半导体模块300a的立体图。图3(b)是将本实施方式中的功率半导体模块300a在通过图3(a)所示的I-I的平面上剖开、从方向J观察的剖视图。图4(a)是表示从图3(a)所示的状态中拆除模块壳体301、第二密封树脂302以及绝缘部件307的功率半导体模块300a 的立体图。图4(b)是在通过图4(a)所示的I-I的平面上剖开、从方向J观察的剖视图。图5是表示从图4(a)所示的状态中拆除第一密封树脂305以及端子绝缘部306的功率半导体模块300a的立体图。图6是表示从图5所示的状态中将导体板320以及导体板321分离的功率半导体模块300a的立体图。

如图6所示，构成上支路与下支路的串联电路的功率半导体元件(IGBT310、IGBT311、二极管312、二极管313)被导体板320、321、322以及323夹持，该导体板320至323通过焊锡材料被固定。IGBT310与二极管312构成上支路， IGBT311与二极管313构成下支路。

如图5所示，交流端子330与导体板323连接，直流正极端子340p与导体板322连接，直流负极端子340n与导体板321连接。

如图4(a)所示，导体板320至323在其散热面露出的状态下通过第一密封树脂305密封。第一密封树脂305具备多面形状。

如图3(b)所示，通过第一密封树脂305密封的一次密封体308(参照图 4(a))插入模块壳体301中并夹持绝缘部件307，热压装于作为CAN型冷却器的模块壳体301的内面。在此，所谓的CAN型冷却器是如图3(a)所示、为一面具有插入孔303、另一面具有底的筒形状的冷却器。在留存于模块壳体 301内部的空隙中填充第二密封树脂302。

模块壳体301由具有电力传导性的部件、如铝合金材料(Al、AlSi、AlSiC、 Al-C等)构成。插入口303通过凸缘304围绕其外周。另外，如图3(a)以及图3(b)所示，以具有比另一面宽的面的第一散热面360A以及第二散热面 360B分别对置的状态配置，与这些散热面对置地配置各功率半导体元件 (IGBT310、IGBT311、二极管312、二极管313)。另外，在第一散热面360A 以及第二散热面360B形成散热片361。

与该对置的第一散热面360A和第二散热面360B连接的三个面构成以比该第一散热面360A以及第二散热面360B狭窄的宽度而密闭的面，在剩余的一侧面上形成插入口303。模块壳体301的形状不需要是准确的长方体，也可以为如图3(a)所示的角度形成曲面。

如图5所示，在模块壳体301外设置用于电力化地与电容器模块230连接的直流正极端子340p以及直流负极端子340n。还设置用于向电动发电机供给交流电力的交流端子330。

在模块壳体301外还设置用于电力化地与控制-驱动电路基板260连接的门极端子350以及门极端子351。在本实施方式中，门极端子350与IGBT310 连接，门极端子351与IGBT311连接。

如图4(a)所示，直流正极端子340p、直流负极端子340n、交流端子330、门极端子350以及门极端子351以通过由树脂材料成形的端子绝缘部306而相互绝缘的状态，作为辅助模制体370一体化地形成。端子绝缘部306也可作为用于支撑各端子的支撑部件而起作用，用于这些的树脂材料适合选用具有绝缘性的热固化性树脂或热可塑性树脂。

辅助模制体370在一次密封体308与连接部375上金属接合之后，通过贯通设置于端子绝缘部306的螺纹孔的螺钉380被固定于模块壳体301。在连接部375中的一次密封体308与辅助模制体370的金属接合上能使用如TIG焊接等。

直流正极端子340p与直流负极端子340n以夹持端子绝缘部306而对置的状态相互层叠，形成大致并行地延伸的形状。通过为这样的配置以及形状，功率半导体元件的开关动作时瞬间流动的电流对置且逆向地流动。由此，形成电流作用的磁场相互抵消的作用，通过该作用而使低电感化成为可能。并且，交流端子330、门极端子350以及门极端子351也向与直流正极端子340p以及直流负极端子340n相同的方向延伸。

使用图7至图9说明使用于电力转换装置中的罩部700的结构。图7是罩部700的外观立体图。图8是在图7所示的A-A平面上剖开罩部700、从B 方向观察的剖视图。图9是在图7所示的平面上剖开罩部700、从D方向观察的剖视图。

金属制部件750由能够遮蔽电磁干扰的部件、如铝合金材料等构成。另外，金属制部件750固定于罩部700。在本实施方式中，金属制部件750被向罩部 700的嵌入模保持，但也可以通过铆接、螺栓固定等固定、保持。而且，金属制部件750从罩部700露出一部分，形成螺栓固定用贯通孔751。

罩部700由绝缘制部件、如树脂材料(PBT、PPT等)等构成。在本实施方式中，罩部700以避让配置门极端子350的位置的方式形成凹部720。由此，扩大覆盖功率半导体模块的直流正极端子340p以及直流负极端子340n的区域，扩大电磁干扰遮蔽区域。

在本实施方式中，罩部700为了确保与靠近功率半导体模块的直流正极端子340p与直流负极端子340n的门极端子351的绝缘距离，形成门极端子用绝缘部710。还具备用于确保直流正极端子340p与直流负极端子340n的绝缘距离的绝缘部701。

使用图10至图12说明使用于电力转换装置100中的罩部700的配置以及效果。图10是从图1所示的状态中拆下冷却水流入用导管210in、冷却水流出用导管210out、机箱下部罩220、电容器模块230、模制汇流条240、直流输入汇流条250p以及250n、控制-驱动电路基板260、机箱上部罩270的电力转换装置100的图。图11是在图10中追加控制-驱动电路基板260且在图10所示的E-E的平面上剖开电力转换装置100、从F方向观察的罩部700附近的放大大剖视图。图12是在图10中追加控制-驱动电路基板260、在图10所示的 G-G平面上剖开电力转换装置100、从H方向观察的罩部700附近的放大剖视图。

向功率半导体模块300a至300b的直流正极端子340p以及直流负极端子 340n通电的电流在每次开关时电流方向都会变化。由此，在直流正极端子340p 以及直流负极端子340n的内侧产生的磁通的方向也会变化。由于此时的磁通方向变化，因此连锁性地产生磁场与电场。该磁场与电场的连锁性的波成为电磁干扰。另外，此时，直流正极端子340p与直流负极端子340n的距离越脱离，越产生大的磁通变化。

若磁通变化，则电感也会变化。因此，若磁通变化量大，则电感的变化量也会变大。即，可以说从电感变化量变大的直流正极端子340p以及直流负极端子340n产生电磁干扰。

若在导体附近磁场急剧变化，则以贯通导体的磁通为轴，在导体上产生涡电流，产生的涡电流在消除基础磁通的方向上产生磁通。由于在消除该基础磁通的方向上产生磁通，因此能遮蔽电磁干扰。

在消除基础磁通的方向上产生磁通也可以说降低电感。即，通过用金属制部件750覆盖电感变化量变大的直流正极端子340p以及直流负极端子340n，降低电感变化量而遮蔽电磁干扰。

若直流正极端子340p以及直流负极端子340n分别接近其他导体，则不能绝缘而短路。为了确保覆盖直流正极端子340p以及直流负极端子340n的金属制部件750的绝缘，用绝缘制部件的罩部700保持金属制部件750。另外，罩部700为了也确保与靠近直流正极端子340p以及直流负极端子340n的金属制部件750以外的其他导体的绝缘，在直流正极端子340p、直流负极端子340n 以及靠近的金属制部件750以外的其他导体之间具备绝缘部。

在本实施方式中，在与靠近直流正极端子340p与直流负极端子340n的门极端子351之间具备用于确保绝缘距离的绝缘部710，还具备用于确保直流正极端子340p与直流负极端子340n的绝缘距离的绝缘部701。

在金属制部件750中产生涡电流时，在金属制部件750内电位变动且带电。在带电状态下的金属制部件750靠近其他导体等的情况下产生静电放电，成为误操作、短路的原因。另外，带电的物体吸附灰尘等的异物，成为短路、漏电的原因。

由于这些原因，金属制部件750需要防止带电。因此，金属制部件750 需要一部分具备电力化导通地固定。在本实施方式中，金属制部件750如图 10所示，固定于机箱壳体200上。由此，能够使金属制部件750内的电位向机箱壳体200逃离，能够防止金属制部件750的带电。

为了尽可能遮蔽电磁干扰，遮蔽成为发生基的直流正极端子340p以及直流负极端子340n的金属制部件750的区域越宽越好。在本实施方式中，金属制部件750以及罩部700以避让配置门极端子350的方式形成凹部，扩大覆盖功率半导体模块的直流正极端子340p以及直流负极端子340n的区域。由此，扩大电磁干扰遮蔽区域。

搭载驱动功率半导体模块的驱动电路的驱动电路基板以及电路元件存在由于电磁干扰而导致误操作的可能性。因此，需要保护这些部件免受来自电子干扰产生源的干扰。在本实施方式中，控制-驱动电路基板260具备驱动功率半导体模块300a至300c的驱动电路，配置于隔着罩部700的与功率半导体模块300a至300c对置的位置，而且，控制-驱动电路基板260在配置罩部700 的侧的面上搭载电路元件261。通常，在这样的情况下，由于控制-驱动电路基板260以及所搭载的电路元件261、成为电磁干扰源的功率半导体模块的直流正极端子340p以及直流负极端子340n之间的距离靠近，因此产生误操作的可能性高。

可是，在本实施方式中，由于在控制-驱动电路基板260以及所搭载的电路元件261、成为电磁干扰源的功率半导体的直流正极端子340p以及直流负极端子340n之间夹持罩部700，因此能够遮蔽电磁干扰且能够使控制-驱动电路基板260以及所搭载的电路元件261与功率半导体模块的直流正极端子 340p以及直流负极端子340n靠近。由此，电力转换装置的低背面化成为可能，电力转换装置的小型化成为可能。

在电力转换装置上搭载功率半导体模块，但根据情况，搭载数量有时增大。在本实施方式中，相对于电力转换装置100搭载U相功率半导体模块300a、 V相功率半导体模块300b、W相功率半导体模块300c共计3个。由于电磁干扰从各功率半导体模块300a至300c的直流正极端子340p以及直流负极端子 340n产生，因此需要遮蔽各功率半导体模块300a至300c的电磁干扰。在本实施方式中，罩部700以同时覆盖U相功率半导体模块300a、V相功率半导体模块300b、W相功率半导体模块300c的直流正极端子340p以及直流负极端子340n的方式构成。

由此，能够无间隙地遮蔽从各功率半导体模块300a至300c的直流正极端子340p以及直流负极端子340n产生的电磁干扰

符号说明

100—电力转换装置，200—机箱壳体，200a—机箱壳体下面，200b—机箱壳体上面，210in—冷却水流入用导管，210out—冷却水流出用导管，220—机箱下部罩，230—电容器模块，240—模制回流条，250p—直流输入回流条，250n —直流输入汇流条，260—控制-驱动电路基板，261—电路元件，270—机箱上部罩，300a—U相功率半导体模块，300b—V相功率半导体模块，300c—W相功率半导体模块，301—模块壳体，302—第二密封树脂，303—插入口，304 —凸缘，305—第一密封树脂，306—端子绝缘部，307—绝缘部件，308—一次密封体，310—IGBT，311—IGBT，312—二极管，313—二极管，320—导体板，321—导体板，322—导体板，323—导体板，330—交流端子，340p—直流正极端子，340n—直流负极端子，350—门极端子，351—门极端子，360A—第一散热面，360B—第二散热面，361—散热片，370—辅助模制体，375—连接部，380—螺钉，700—罩部，701—绝缘部，710—门极端子用绝缘部，720 —凹部，750—金属制部件，751—螺栓固定用贯通孔。

Claims (4)

1.一种电力转换装置，其特征在于，

具备：

功率半导体模块，其将直流电流转换为交流电流并且具有直流正极端子以及直流负极端子；以及

罩部，其具有第一绝缘部，该第一绝缘部配置于上述直流正极端子以及上述直流负极端子与其他导体之间，该其他导体分别接近上述直流正极端子以及上述直流负极端子，

上述罩部保持覆盖上述直流正极端子和上述直流负极端子的金属制部件，

上述罩部具有配置于上述直流正极端子与上述直流负极端子之间的第二绝缘部，

上述金属制部件的一部分固定在机箱上。

2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

上述功率半导体模块具备功率半导体元件和传递控制该功率半导体元件的信号的门极端子，

上述直流正极端子、上述直流负极端子以及上述门极端子向相同的方向突出，

上述罩部形成配置上述门极端子的凹部。

3.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

具有搭载驱动上述功率半导体模块的驱动电路的驱动电路基板，

上述驱动电路基板配置于隔着上述罩部与上述功率半导体模块对置的位置，

另外，上述驱动电路基板在配置上述罩部的一侧的面上搭载电路元件。

4.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

具有多个上述功率半导体模块，

上述金属制部件以覆盖上述多个功率半导体模块的直流正极端子以及直流负极端子的方式构成。

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