CN107493688B - 电力变换用电路基板以及电动压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明的电力变换用电路基板(1)是装载有将直流变换为交流的电力变换用电路的基板，施加低电压的低电压电路(10b)和施加高电压的高电压电路(10a)分别分开地配置于同一个基板表面的不同区域。另外，高电压电路(10a)的一部分的布线形成于基板表面，并且其他的布线由从基板表面隔开规定距离而设的母线构成。

Description

电力变换用电路基板以及电动压缩机
技术领域
本发明涉及电力变换用电路基板以及电动压缩机。
本申请基于2015年3月23日于日本申请的特愿2015－059208号并主张优先权，将其内容援引于本申请。
背景技术
车载用空气调节器例如因为需要在车辆内的有限的空间中收容各种结构设备而在省空间上有很高的要求。因此，近年来，以提高省空间性的目的，提供有一体地构成有构成车载用空气调节器的压缩机、用于驱动压缩机的电动机、用于控制压缩机的电路基板的一体型电动压缩机(例如，参照专利文献1)。
现有专利文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开：2008－220005号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在一体化的电动压缩机所具有的电路基板中，同时存在以相对低的电压动作的小信号系统的电路和施加驱动电动机所必需的高电压的大电力系统的电路。为了省空间，可以想到的是：构成上述小信号系统的电路的元件和构成大电力系统的电路的元件的密度升高，基于大电力系统的电路中的动作而放射的各种电磁噪音给小信号系统的电路中的动作带来不良影响。
本发明是鉴于上述课题而得到的，其目的在于提供能够维持省空间性并降低电磁噪音的影响的电力变换用电路基板以及电动压缩机。
用于解决技术问题的手段
本发明的一个实施方式是装载有将直流变换为交流的电力变换用电路的基板即电力转换用基板，施加低电压的低电压电路和施加高电压的高电压电路分别分开地配置于同一个基板表面的不同区域。
通过这种结构，高电压电路和低电压电路分开配置，因而能够降低放射自高电压电路电磁噪音的对低电压电路的干涉程度。另外，由于高电压电路和低电压电路配置于同一个基板表面，因而能够实现省空间化。因此，能够维持省空间性并降低电磁噪音的影响。
另外，在本发明的一个实施方式中，在上述电力变换用电路基板中，在所述高电压电路中，从高电压输入端子到开关元件为止的布线形成于所述基板表面，并且从所述开关元件到高电压输出端子为止的布线由从所述基板表面隔开规定距离而设的母线构成。
通过这种结构，开关元件的驱动所产生的电磁噪音在形成于基板表面的布线和从基板表面隔开规定距离而设的母线之间被吸收，能够抑制电磁噪音被放射到外部。
另外，在本发明的一个实施方式中，在上述电力变换用电路基板中，配置为：从所述高电压输入端子到所述开关元件为止的布线和从所述开关元件到高电压输出端子为止的布线交叉。
通过这种结构，开关元件的驱动所产生的电磁噪音在各自互相交叉的部分被有效地被吸收，能够进一步抑制电磁噪音被放射到外部。另外，通过设置两者重叠的区域，能够将电力变换用电路基板的高电压电路所占的区域紧凑地集中到一处。因此，能够使电力变换用电路基板整体进一步小型化(省空间化)。
另外，在本发明的一个实施方式中，在上述电力变换用电路基板中，RC电路的至少一部分设置在设于从所述高电压输入端子到所述开关元件为止的布线和从所述开关元件到高电压输出端子为止的布线之间的空间。
通过这种结构，能够得到除去RC电路所引起的电磁噪音的效果。另外，在确保安装RC电路所必需的空间的基础上，能够有效地灵活利用设于从高电压输入端子到开关元件为止的布线和从开关元件到高电压输出端子为止的布线之间的空间。因此，能够进一步实现电力变换用电路基板的省空间化。
另外，本发明的一个实施方式是一种电动压缩机，包括：上述的电力变换用电路基板；以及基于从所述电力变换用电路基板提供的交流电力而动作的电动机。
发明效果
根据上述的电力变换用电路基板以及电动压缩机，能够维持省空间性并降低电磁噪音的影响。
附图说明
图1是第一实施方式所涉及的电力变换用电路基板的立体图。
图2是第一实施方式所涉及的电力变换用电路基板的俯视图。
图3是第一实施方式所涉及的电力变换用电路基板的仰视图。
图4是第一实施方式所涉及的电力变换用电路基板的侧视图。
图5是第一实施方式所涉及的电力变换用电路基板的主视图。
图6A是说明第一实施方式所涉及的串联电容器组的特性的第一图。
图6B是说明第一实施方式所涉及的串联电容器组的特性的第二图。
图7是说明基于第一实施方式所涉及的高电压电路的结构的作用效果的图。
具体实施方式
＜第一实施方式＞
以下参照图1～图7对第一实施方式所涉及的电力变换用电路基板进行说明。
(整体结构)
图1是第一实施方式所涉及的电力变换用电路基板的立体图。
图2是第一实施方式所涉及的电力变换用电路基板的俯视图。
图3是第一实施方式所涉及的电力变换用电路基板的仰视图。
图4是第一实施方式所涉及的电力变换用电路基板的侧视图。
图5是第一实施方式所涉及的电力变换用电路基板的主视图。
第一实施方式的电力变换用电路基板1是构成逆变器的电路基板，该逆变器将通过输入端子(后述)而从外部提供的直流电力变换为三相交流电力。此处，第一实施方式的电力变换用电路基板1与基于该电力变换用电路基板1输出的三相交流电力而动作的交流电动机一起一体地装载于电动压缩机。
该电动压缩机例如用于装载于车辆的空气调节器(车载空调)。在该情况下，电动压缩机(电力变换用电路基板1)接收来自装载于车辆的电池等的直流电力的输入。
如图1～图5所示，电力变换用电路基板1包括基板主体部10和母线支承部件20。
基板主体部10是安装有用于构成将直流变换到交流的电力变换用电路(逆变器)的各种电路元件的电路基板。如图1等所示，在基板主体部10的基板表面(包含+Z方向侧的面以及－Z方向侧的面这两个面)的不同区域分别分开地配置有施加高电压的高电压电路10a的一部分和施加低电压的低电压电路10b
高电压电路10a是施加驱动未图示的交流电动机所必需的高电压的大电力系统的电路。具体而言，在高电压电路10a施加输入自装载于车辆的电池等的直流高电压。输入的直流高电压经过开关元件SW而变换到用于驱动交流电动机的三相交流电力。
各开关元件SW基于来自低电压电路10b(后述)的驱动信号(栅极输入)而切换使电流流动的ON状态和阻断电流的OFF状态。开关元件SW分别对应于形成三相交流的U相、V相、W相分别设有两个。因此，在基板主体部10的基板表面安装有六个开关元件SW。各开关元件SW在规定的时机重复ON/OFF，从而向交流电动机提供三相(U相，V相，W相)的交流电力。
此外，作为开关元件SW，例如，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)是代表元件，另外，也可以是双极型晶体管、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field effect transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)等。
另一方面，低电压电路10b是相比于高电压电路10a而言用低电压动作的小信号系统的电路。具体而言，在低电压电路10b安装有控制微机等用的芯片、电流传感器等各种传感器，通过施加直流低电压而动作。安装在低电压电路10b的微机例如进行如下控制：通过向各开关元件SW根据各种传感器的检测结果输出规定的驱动信号，以配合状况生成所希望的三相交流电力。
此外，将第一实施方式所涉及的基板主体部10作为由多层层叠而成的多层布线基板。在基板主体部10的安装有高电压电路10a的区域至少层叠有：施加上述高电压的电源布线被制作成布线图案的电源图案层；以及接地的接地布线被制作成布线图案的GND(地)图案层。
(高电压电路的结构)
接着，参照图1～图5对高电压电路10a的结构进行详细说明。
如图1～图5所示，高电压电路10a电连接高电压输入端子10a1、RC电路10a2、开关元件SW、母线支承部件20、电容器C、电感器L。
此外，在以下的说明中，主要一边参照图3一边说明，图3是从底面侧(－Z方向侧)观察电力变换用电路基板1的图。此处，将图3中的+X方向侧记为左侧(左端侧)，－X方向侧记为右侧(右端侧)等，另外，将+Y方向侧记为上侧(上端侧)，－Y方向侧记为下侧(下端侧)等。
高电压输入端子10a1安装于基板主体部10的背面侧(－Z方向侧)的基板表面且在基板主体部10的左端侧(+X方向侧)(参照图3)。在高电压输入端子10a1电连接有分开装载的电池，从该电池施加直流高电压。此外，在安装了高电压输入端子10a1的面的相反侧(+Z方向侧)的基板表面安装有高电压用的电容器Cと电感器L(参照图2)。利用高电压用的电容器C和电感器L来实现来自电池的直流高电压的稳定化。
从高电压输入端子10a1输入的直流高电压途经配置于高电压电路10a的右端侧(－X方向侧)的RC电路10a2，然后输入同样地安装于右端侧的六个开关元件SW。
RC电路10a2是将电阻元件与电容器元件电连接而形成的电路，起到除去高频成分的低通滤波器的功能。RC电路10a2安装于基板主体部10的基板表面，至少一部分安装在后述的母线支承部件20和基板主体部10之间的空间(参照图3等)。
六个开关元件SW在基板主体部10安装于RC电路10a2的下侧(－Y方向侧)。
母线支承部件20配置为与基板主体部10的背面侧(－Z方向侧)的基板表面的安装有六个开关元件SW的区域的左侧(+X方向侧)邻接。
母线支承部件20配置于从基板主体部10的背面侧的基板表面隔开规定距离的间隔的位置(图4参照)。在母线支承部件20的内部安装有分别与U相、V相、W相对应的三条母线。
安装于母线支承部件20的内部的三条母线从基板主体部10的基板表面保持一定距离，并从位于母线支承部件20的下端侧(－Y方向侧)的母线连接端子20a延伸到位于母线支承部件20的上端侧(+Y方向侧)的高电压输出端子20b。这样的话，上述三条母线是配置为在基板主体部10的基板表面从左端侧到右端侧横穿所安装的高电压电路10a的上方。
安装于母线支承部件20的内部的三条母线在母线连接端子20a与安装于基板主体部10的基板表面的布线电连接。通过开关元件SW的ON/OFF驱动而生成的各相的交流电力经由母线连接端子20a而输入到对应的各条母线。U相，V相，W相各自对应的交流电力途经从位于支承部件20的下端侧的母线连接端子20a延伸到上端侧的母线而从各相高电压输出端子20b输出。
这样，在从底面侧观察该电力变换用电路基板1的情况下，安装于电力变换用电路基板1的高电压电路10a配置为，高电压电路10a的从高电压输入端子10a1到开关元件SW为止的布线和从开关元件SW到高电压输出端子20b为止的布线互相交叉。
另外，第一实施方式所涉及的基板主体部10具有连接于高电压电路10a中施加高电压的电源布线和接地的接地布线之间的多个串联电容器组10a3，是以降低电磁噪音的目的而设的电容器元件。串联电容器组10a3由多个(例如五个)电容器元件(每个元件例如数千pF数量级)串联连接而成(参照图2、图3)。各电容器元件例如也可以是一般的陶瓷电容器。
如图2、图3等所示，在本实施方式中，串联电容器组10a3分别安装于基板主体部10的正面侧(+Z方向侧的面)以及基板主体部10的背面侧(－Z方向侧的面)的相同位置(从+Z方向侧或－Z方向侧观察相互重叠的位置)。另外，安装于正面侧以及背面侧的相同位置的两组串联电容器群10a3安装为多个电容器元件的配置图案互相相同。
另外，在第一实施方式所涉及的基板主体部10设有用于安装到未图示的电动压缩机的框体的固定孔11。电力变换用电路基板1通过固定孔11而螺纹固定于电动压缩机的框体。
除了基板主体部10的四个角落各一个，在基板主体部10的靠近中央处也设有多个固定孔11(参照图2，图3)。在固定孔11的边缘设有与接地布线连接的接地用的连接盘。由此，通过螺纹固定固定孔11，从而电力变换用电路基板1通过设于该固定孔11的边缘的接地用的连接盘接地。
另外，上述的串联电容器组10a3分别对应各个固定孔11而安装于该固定孔11的附近(参照图2，图3)。
(串联电容器组的特性)
图6A是说明第一实施方式的串联电容器组的特性的第一图。
图6B是说明第一实施方式的串联电容器组的特性的第二图。
图6A所示的图表表示电力变换用电路基板1产生的电磁噪音的频率特性的例子(纵轴是噪音强度[dB]，横轴是频率[Hz])。另外，图6B所示的图表表示构成串联电容器组10a3的各电容器元件的阻抗的频率特性的例子(纵轴是阻抗[Ω]，横轴是频率[Hz])。
此处，放射自电力变换用电路基板1的电磁噪音因安装的元件的特性、该电路图案、施加的电压、动作频率等而具有产品固有的频率特性。例如，如图6A所示，电力变换用电路基板1的电磁噪音在不同的多个频率f1，f2上表示高于既定值TH的强度。
在该情况下，构成串联电容器组10a3的五个电容器元件选择为：对应于电磁噪音为规定值TH以上的多个频率f1，f2，能够分别降低该多个频率f1，f2上的电磁噪音。
具体而言，电容器元件的阻抗(Ω)具有图6B所示的频率特性。即，通过共振特性，存在阻抗局部变小的频率带。
这种电容器元件的阻抗的频率特性根据所选择的电容器元件的种类等而分别不同。因此，将构成串联电容器群的各电容器元件的阻抗对应于电磁噪音强的频率f1，f2，分别组合不同阻抗的频率特性，从而能够有效地降低所希望的频率(频率f1，f2等)的电磁噪音。
(作用效果)
图7是说明基于第一实施方式所涉及的高电压电路的结构的作用效果的图。
根据第一实施方式所涉及的电力变换用电路基板1，如图7所示，特征在于，施加低电压的低电压电路10b和施加高电压的高电压电路10a分别分开地一个一个配置于同一个基板表面的不同区域。
通过这样，由于高电压电路10a和低电压电路10b分开配置，能够降低放射自高电压电路10a电磁噪音的对低电压电路10b的干涉程度。另外，由于高电压电路10a和低电压电路10b配置于同一个基板表面，因而能够实现省空间化。
通过以上说明，根据电力变换用电路基板1，能够维持省空间性并降低电磁噪音的影响。
另外，根据第一实施方式所涉及的电力变换用电路基板1，如图7所示，在高电压电路10a中，从高电压输入端子10a1到开关元件SW为止的布线(直流电流Id流动的布线)形成于基板主体部10的基板表面，并且从开关元件SW到高电压输出端子20b为止的布线(交流电流Ia流动的布线)由从基板表面隔开规定距离而设的母线构成。
通过这样，开关元件SW的驱动所产生的电磁噪音(振铃噪音等)除了在RC电路10a2被吸收，也在形成于基板主体部10的基板表面的布线和从基板表面隔开规定距离而设的母线之间被吸收，从而能够抑制电磁噪音被放射到外部。
另外，根据第一实施方式所涉及的电力变换用电路基板1配置为：从高电压输入端子10a1到开关元件SW为止的布线和从开关元件SW到高电压输出端子20b为止的布线交叉。换言之，高电压电路10a的直流电流Id流动的布线(安装于基板主体部10a的基板表面布线)与高电压电路10a的交流电流Id流动的布线(支承于母线支承部件20的母线)成为立体交叉的结构。
通过这样，开关元件SW的驱动所产生的电磁噪音在各自互相交叉的部分被有效地吸收，能够进一步抑制电磁噪音被放射到外部。
另外，通过上述立体交叉的结构，能够将电力变换用电路基板1的高电压电路10a所占的区域紧凑地集中到一处。因此，能够使电力变换用电路基板1整体进一步小型化(省空间化)。
另外，根据第一实施方式所涉及的电力变换用电路基板1，RC电路10a2的至少一部分设置于设于从高电压输入端子10a1到开关元件SW为止的布线和从开关元件SW到高电压输出端子为止的布线之间的空间。
通过这样，基于RC电路10a2作为低通滤波器的功能，能够取得除去电磁噪音的效果。另外，在确保安装RC电路10a2所必需的空间的基础上，能够有效地灵活利用设于从高电压输入端子10a1到开关元件SW为止的布线和从开关元件SW到高电压输出端子为止的布线之间的空间。因此，能够进一步实现电力变换用电路基板1的省空间化。
另外，根据第一实施方式所涉及的电力变换用电路基板1，高电压电路10a的特征在于具有串联电容器组10a3，该串联电容器组10a3具有在电源布线和接地布线之间串联连接的多个电容器元件。
通过这样，施加于每个电容器元件的电压被分压而降低，因而能提高作为高电压电路10a的耐压性能。另外，即使假设是任意一个电容器元件被破坏而短路的情况，也能够利用串联连接的其他电容器元件来防止电源布线和接地布线短路。
此外，通过这样，由于能够按所希望的那样选择构成串联电容器组10a3的各电容器元件，因此能够对作为串联电容器组10a3整体的阻抗特性配合产品固有的电磁噪音适当地进行控制。
通过以上说明，能够降低电磁噪音对外部设备的影响，能够进一步实现高耐压化。
另外，根据第一实施方式所涉及的电力变换用电路基板1，构成串联电容器组10a3的各电容器元件具有对应于电磁噪音为规定值TH(图6A)以上的多个频率并能够分别降低该多个频率上的电磁噪音的各不相同的阻抗特性(阻抗的频率特性)。
通过这样，通过对应电磁噪音强的频率(图6A的频率f1，f2)，分别组合不同阻抗的频率特性，从而能够有效地降低所希望的频率的电磁噪音。
另外，根据第一实施方式所涉及的电力变换用电路基板1，串联电容器组10a3分别安装于基板主体部10的正面侧以及背面侧的相同位置。
另外，并且，安装于基板主体部10的正面侧以及背面侧的相同位置两组串联电容器组10a3以多个电容器元件的配置图案互相相同的方式安装。
在电容器元件间，设想形成根据各自的位置关系的寄生电容。因此，通过使配置图案相同，能够使正面侧以及背面侧的串联电容器组10a3所具有的容量值包括根据该配置图案的寄生电容在内都是相同的。
＜第一实施方式的变形例＞
上文中，对第一实施方式所涉及的电力变换用电路基板1进行了详细说明，但电力变换用电路基板1的具体的实施方式并不仅限定于上述实施方式，在不脱离主旨的范围内，能够增加各种设计变更等。
例如，对第一实施方式进行了如下说明：电力变换用电路基板1配置为从高电压输入端子10a1到开关元件SW为止的布线和从开关元件SW到高电压输出端子20b为止的布线交叉，但在其他的实施方式中，不限定于此。
即，其他的实施方式所涉及的电力变换用电路基板1中，从高电压输入端子10a1开关元件SW为止的布线和从开关元件SW到高电压输出端子20b为止的布线也可以不必交叉，例如，也可以是两者的至少一部分重叠并延伸的实施方式。
另外，对第一实施方式进行了如下说明：在电力变换用电路基板1中，以降低根据开关元件SW的驱动的电磁噪音的目的而连接RC电路10a2，但在其他的实施方式中，不限定于此实施方式。
即，其他的实施方式所涉及的电力变换用电路基板1也可以不具备RC电路10a2。另外，在该情况下，这个其他的实施方式所涉及的电力变换用电路基板1也可以是仅形成有能够安装RC电路10a2的连接盘的实施方式。
这样，通过仅设用于安装RC电路10a2的区域，根据顾客的要求(应该降低的电磁噪音的程度)，能够选择RC电路10a2的装载/不装载。
在上文中，说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式是作为例子而提示的部分，并不是为了限定发明的范围。这些实施方式能够在其他各种实施方式中实施，能够在不脱离发明的主旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式、实施方式的变形，与包含于发明的范围、主旨一样，包含于权利要求所记载的发明和与权利要求均等的范围。
工业上的可能应用
根据上述电力变换用电路基板以及电动压缩机，能够维持省空间性并降低电磁噪音的影响。
【符号说明】
1 电力变换用电路基板
10 基板主体部
10a 高电压电路
10a1 高电压输入端子
10a2 RC电路
10a3 串联电容器组
10b 低电压电路
11 固定孔
20 母线支承部件
20a 母线连接端子
20b 高电压输出端子
SW 开关元件
C 电容器
L 电感器

Claims (2)

1.一种电力变换用电路基板，是装载有将直流变换为交流的电力变换用电路的基板，其特征在于，
施加低电压的低电压电路和施加高电压的高电压电路分别分开地配置于同一个基板表面的不同区域，
在所述高电压电路中，从高电压输入端子到开关元件为止的直流电流流动的布线形成于所述基板表面，并且从所述开关元件到高电压输出端子为止的交流电流流动的布线由与所述基板表面隔开规定距离而设置的母线构成，
配置为：从所述高电压输入端子到所述开关元件为止的布线和从所述开关元件到高电压输出端子为止的布线交叉,
RC电路的至少一部分设置于从所述高电压输入端子到所述开关元件为止的布线和从所述开关元件到高电压输出端子为止的布线之间所设有的空间。
2.一种电动压缩机，其特征在于，包括：
如权利要求1所述的电力变换用电路基板；以及
基于从所述电力变换用电路基板提供的交流电力而动作的电动机。
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