CN107534388A - 电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明应用在具有配设在线路上的开关元件和与接地电位等规定电位连接的散热器的电力转换装置，并且提供减少由在开关元件与散热器之间产生的寄生电容引起的、向电力转换装置的输入侧输出的噪声的电力转换装置。在开关元件(半导体开关(SW))与散热器(散热部件(HS))之间夹装有通过绝缘体(11b)覆盖导电体(11a)的噪声消除器(11)，并且将噪声消除器(11)的导电体(11a)与线路的稳定电位连接。

Description

电力转换装置
技术领域
本发明涉及具有开关元件和散热器的电力转换装置，其中，该开关元件配设在连结输入侧和输出侧的线路上，该散热器与规定的电位连接。
背景技术
通过使半导体开关进行开关动作来控制输出电压和/或输出电流的电力转换装置被用于多种用途。在电力转换装置中，为了释放由半导体开关产生的热，安装散热部件。
图1是示意性地示出电力转换装置具有的半导体开关和所安装的散热部件的外观的概要侧视图。图1示出电力转换装置具有的半导体开关SW。半导体开关SW在安装有散热部件HS的状态下固定在基板B上。散热部件HS具有通过将在半导体开关SW上产生的热释放到外部来进行冷却的功能。
然而，在将散热部件HS与FG(框架地线)连接的情况下，在半导体开关SW与散热部件HS之间会产生寄生电容。
图2是在关于电力转换装置具有的半导体开关的电路图上示意性地示出散热部件的说明图。图2示出关于配设有将连结输入侧和输出侧的一对线路短接的半导体开关SW的电力转换装置的电路，在半导体开关SW的右侧示出了散热部件HS。散热部件HS与FG连接。另外，在半导体开关SW与散热部件HS之间产生寄生电容Chp。通过所产生的寄生电容Chp，与半导体开关SW的正极连接的点P1处的电压变动传递到FG，并且共模电流Icm作为噪声流过。
图3是示出电力转换装置的点P1处的电压变化的曲线图。在图3中，以横轴作为时间，以纵轴作为点P1处的电压，示出点P1处的电压V1的经时变化。图3所示的点P1处的电压V1的经时变化是经由寄生电容Chp向FG传递的，因此，作为噪声向电力转换装置的输入侧输出。
如上，在将散热部件HS与FG连接的情况下，会产生向电力转换装置的输入侧输出与点P1的电压变动对应的较大的噪声的问题。向FG传递并成为噪声的共模电流Icm的大小可以通过以下的式(A)表示。
Icm＝Chp×dV/dt…式(A)
其中，Icm：共模电流
Chp：半导体开关SW与散热部件HS之间的寄生电容
V：点P1处的电压(V1)
t：时间
另外，寄生电容Chp可以通过以下的式(B)表示。
Chp＝ε·S/dhp…式(B)
其中，ε：半导体开关SW与散热部件HS之间的介电常数
dhp：半导体开关SW与散热部件HS之间的距离
S：电极面积
因此，为了减少上述的噪声，专利文献1提出了这样的方法：在半导体开关与散热部件之间夹入使用了陶瓷的低介电常数的绝缘材料，从而减少在半导体开关与散热部件之间产生的寄生电容。通过减少寄生电容，上述式(A)中的寄生电容Chp变小，因此，能够使共模电流Icm变小。
另外，作为减少噪声的其他方法，专利文献2提出了这样的方法：将散热部件本身与稳定电位连接，将引起噪声的电流封闭在电路内。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平9-298889号公报
专利文献2：日本特开平11-356047号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，根据专利文献1提出的方法，由于在半导体开关与散热部件之间夹入的绝缘材料的热阻，会产生无法对半导体开关充分进行冷却的问题。另外，被用作绝缘材料的陶瓷价格高，因此，会产生电力转换装置的成本升高的问题。
另外，根据专利文献2提出的方法，在将散热部件固定到壳体上进行使用时，由于壳体是接地电位，因此，必须确保接地电位与稳定电位之间的绝缘距离。因此，会产生散热部件的设置空间增大的问题，并且还涉及其他元件的配置的制约等问题。另外，用于固定散热部件的螺钉需要是绝缘材料。在使用树脂材料作为绝缘材料的螺钉时，强度存在问题，在使用陶瓷作为绝缘材料的螺钉时，存在电力转换装置的成本升高的问题。另一方面，在没有将散热部件固定到壳体上的情况下，为了确保散热部件的固定强度，需要在多个点处进行固定，因此，会产生其他元件的配置的制约等问题。
本发明是鉴于上述情况而完成的，通过将导电体配置在开关元件与散热部件之间，将绝缘体配置在导电体与开关元件之间以及导电体与散热器之间，从而将导电体与连结输入侧和输出侧的线路连接。由此，本发明的目的在于提供能够减少噪声而不会产生专利文献1和专利文献2中所述的问题的电力转换装置。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明的电力转换装置是一种具有开关元件和散热器的电力转换装置，该开关元件被配设成将连结输入侧和输出侧的一对线路短接，该散热器与规定的电位连接，其特征在于，该电力转换装置具有：导电体，其配置在所述开关元件和所述散热器之间；以及绝缘体，其配置在所述导电体和所述开关元件之间、以及所述导电体和所述散热器之间，所述导电体与所述一对线路中的一个线路电连接。
另外，电力转换装置具有开关元件和散热器，该开关元件被配设成将连结输入侧和输出侧的一对线路短接，该散热器与规定的电位连接，其特征在于，该电力转换装置具有：导电体，其配置在所述开关元件和所述散热器之间；以及绝缘体，其覆盖所述导电体，所述导电体与所述一对线路中的一个线路电连接。
另外，电力转换装置的特征在于，所述导电体和所述绝缘体呈薄膜状，所述绝缘体的与所述开关元件相对的表面粘贴于所述开关元件，所述绝缘体的与所述散热器相对的表面粘贴于所述散热器。
另外，电力转换装置的特征在于，连接着所述导电体的一个线路与稳定电位连接。
另外，电力转换装置的特征在于，所述散热器连接的规定的电位是接地电位。
本发明的电力转换装置能够将由寄生电容引起的噪声封闭在电路内。
发明效果
在本发明中，通过将导电体配置在开关元件与散热部件之间，将绝缘体配置在导电体与开关元件之间、以及导电体与散热器之间，将导电体与线路连接。由此，能够使基于在导电体与开关元件之间、导电体与散热器之间产生的寄生电容的噪声电流流过线路侧，因此，可以实现如下良好的效果：能够将噪声封闭在电路内，从而能够减少向电力转换装置的输入侧输出的噪声等。
附图说明
图1是示意性地示出电力转换装置具有的半导体开关以及所安装的散热部件的外观的概要侧视图。
图2是在关于电力转换装置具有的半导体开关的电路图上示意性地示出散热部件的说明图。
图3是示出电力转换装置中的点P1处的电压变化的曲线图。
图4是示意性地示出本发明的实施方式的电力转换装置的外观的一例的概要侧视图。
图5是在关于本发明的实施方式的电力转换装置的电路图上示意性地示出使用了散热部件和噪声消除器的控制系统的一例的说明图。
图6是示出电力转换装置的电压的经时变化的一例的曲线图。
图7是概略地示出在实验中使用的装置的示意图。
图8A是示意性地示出在实验中使用的电力转换装置的一部分的说明图。
图8B是示意性地示出在实验中使用的电力转换装置的一部分的说明图。
图9A是示出实验结果的曲线图。
图9B是示出实验结果的曲线图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。另外，以下的实施方式只是对本发明进行具体化的一例，不具有对本发明的技术范围进行限定的属性。
图4是示意性地示出本发明的实施方式的电力转换装置的外观的一例的概要侧视图。本发明的电力转换装置10是使用半导体开关SW进行关于输出电压和/或输出电流的转换的控制的逆变器、DC-DC转换装置等的装置。
半导体开关SW由MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effecttransistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等半导体开关元件构成。半导体开关SW通过作为脚部的源极端子、漏极端子以及栅极端子固定到基板B上。另外，在基板B上竖立设置有具有通过将在半导体开关SW上产生的热释放到外部来进行冷却的功能的散热部件(散热器)HS，散热部件HS与后述的FG(框架地线)电连接。并且，在基板B上，在半导体开关SW与散热部件HS之间夹装有噪声消除器11，该噪声消除器11减少从在半导体开关SW与散热部件HS之间产生的寄生电容向电力转换装置10的输入侧流动的噪声电流。
噪声消除器11具有铜箔等的呈薄膜状的导电体11a、以及覆盖导电体11a的绝缘体11b，导电体11a经由半导体开关SW的源极端子与后述的第2线路12b(参照图5)电连接。噪声消除器11呈如下形状的薄膜状，即通过呈薄膜状的绝缘体(绝缘膜)11b覆盖呈薄膜状的导电体11a，噪声消除器11的与半导体开关SW相对的一侧的一面粘贴于半导体开关SW，与散热部件HS相对的一侧的另一个表面粘贴于散热部件HS。即，构成为：在半导体开关SW与散热部件HS之间配置有导电体11a，在导电体11a与半导体开关SW之间以及在导电体11a与散热部件HS之间配置有绝缘体11b作为绝缘膜。另外，为了提高将在半导体开关SW上产生的热经由噪声消除器11向散热部件HS传导的热传导的效率，半导体开关SW具有粘贴于噪声消除器11的一个表面的散热面，散热部件HS具有粘贴于噪声消除器11的另一个表面的吸热面。
图5是在与本发明的实施方式的电力转换装置10相关的电路图上示意性地示出使用了散热部件HS和噪声消除器11的控制系统的一例的说明图。在图5例示的控制系统中，使用了：与AC电源(未图示)连接的滤波器20；将从AC电源提供的交流转换成直流的二极管电桥等的AC-DC转换器30；进行电压的平滑化、升压等的电力转换的电力转换装置10；以及进行向与电力负载(未图示)对应的规格的电压和电流的转换的变压器等的绝缘DC-DC转换器40。由AC-DC转换器30从交流转换的直流是使负侧的电压的方向相对于从滤波器20侧输出的交流反转的脉流，虽然方向是固定的，但大小发生改变。并且，通过电力转换装置10，对作为脉流提供的直流电压进行平滑化。
在电力转换装置10中设置有将与AC-DC转换器30连接的输入侧和与绝缘DC-DC转换器40连接的输出侧连结的第1线路12a和第2线路12b。第1线路12a以及第2线路12b与输入侧的第1电位以及第2电位连接。第1线路12a例如与正侧连接，作为第1电位。第2线路12b例如与负侧连接，作为第2电位，并且第2线路12b被用作与比第1电位低的稳定电位连接的布线。
在电力转换装置10中，在从AC-DC转换器30接收输入的输入侧处配设第1电容器C1，该第1电容器C1连接第1线路12a与第2线路12b之间，并且进行平滑化。另外，在向绝缘DC-DC转换器40进行输出的输出侧处配设有使用了电抗器L、半导体开关SW、整流元件D以及第2电容器C2的升压电路(升压斩波器)。
作为升压电路进行配设的电抗器L和整流元件D串联连接在第1线路12a上。整流元件D以阳极端子作为输入侧、阴极端子作为输出侧的朝向配设，并且在阳极侧，与电抗器L串联连接。另外，第2电容器C2以在整流元件D的阴极侧连接第1线路12a和第2线路12b之间的方式配设。
并且，升压电路的半导体开关SW以使第1线路12a和第2线路12b之间短接的方式配设。在图5例示的电路中，作为半导体开关SW，使用了内置有逆并联二极管的MOSFET。半导体开关SW的漏极端子与在电抗器L和整流元件D之间的第1线路12a的第1点P1连接，源极端子与第2线路12b的第2点P2连接。另外，第2点P2位于第1电容器C1与第2线路12b连接的连接点、和第2电容器C2与第2线路12b连接的连接点之间。
在图5中，半导体开关SW的右侧示出在其附近配设的散热部件HS，并且，在半导体开关SW与散热部件HS之间配设有噪声消除器11。散热部件HS与作为接地电位的FG(框架地线)连接。噪声消除器11的导电体11a经由连接线11c与第2线路12b连接。
除了以上说明的各种元件之外，在噪声消除器11的导电体11a与半导体开关SW之间产生第1寄生电容Chp1，在噪声消除器11的导电体11a与散热部件HS之间产生第2寄生电容Chp2。
通过在噪声消除器11的导电体11a与半导体开关SW之间产生的第1寄生电容Chp1，第1点P1的电压变动从导电体11a经由第2点P2向第2线路12b传递，从而噪声电流Ins流过。其中，传递到第2线路12b的噪声电流Ins流过第2点P2、第1电容器C1、电抗器L以及第1点P1而进行循环，封闭在由这些元件构成的电路内，因此，不会作为噪声向电力转换装置10的输入侧输出。
另外，通过在噪声消除器11的导电体11a与散热部件HS之间产生的第2寄生电容Chp2，第2点P2的电压变动从散热部件HS向FG传递，从而共模电流Icm作为噪声流过。此时流过的共模电流Icm的大小能够通过以下的式(1)进行表示。
Icm＝Chp2×dV/dt…式(1)
其中，Icm：共模电流
Chp2：导电体11a与散热部件HS之间的寄生电容
V：第2点P2的电压(V2)
t：时间
对式(1)示出的第2点P2处的电压进行说明。图6是示出电力转换装置10的电压的经时变化的一例的曲线图。在图6中，以横轴作为时间，以纵轴作为电压，并且用实线示出了第2点P2处的电压V2的经时变化。另外，为了进行比较，用虚线示出了第1点P1处的电压V1的经时变化。根据图6可知，第2点P2处的电压V2的经时变化比第1点P1处的电压V1的经时变化小。因此，由第2点P2处的经时变化引起的式(1)中的dV/dt的值比由第1点P1处的经时变化引起的值小，因此共模电流Icm较小。即，如图6所示，当与稳定电位连接的第2点P2几乎没有变化时，共模电流Icm即使是在作为噪声输出到电力转换装置10的输入侧的情况下，也是小到可以忽视的程度。
如上所述，在本申请记载的电力转换装置10中，将通过绝缘体11b覆盖导电体11a的噪声消除器11配置在半导体开关SW与散热部件HS之间，将导电体11a与线路连接。由此，能够将由在噪声消除器11的导电体11a与半导体开关SW之间产生的第1寄生电容Chp1引起的噪声电流Ins封闭在电力转换装置10内。另外，通过将导电体11a与作为稳定电位的第2线路12b连接，能够抑制由在噪声消除器11的导电体11a与散热部件HS之间产生的第2寄生电容Chp2引起的共模电流Icm。并且，即使将构成噪声消除器11的导电体11a和绝缘体11b形成为薄膜状，也能够实现减少噪声的效果，因此，具有能够抑制温度的上升并且抑制生产成本的优点。并且，由于也可以是将散热部件HS与FG连接而设置为与电力转换装置10的电位相同的电位，因此，不会受到关于绝缘距离的标准上的制约，从而能够任意地对距离进行选择，由此，具有各元件的配置的自由度较高并且能够实现小型化等的优点。
＜实验例＞
接着，示出本发明的电力转换装置10的实验例，对其结果进行说明。图7是概略地示出在实验中使用的装置的示意图。在实验中使用的装置构成为具有：滤波器、AC-DC转换器(AC/DC)、电力转换装置(DC/DC)以及绝缘DC-DC转换器(绝缘DC/DC)，作为输入侧的滤波器侧与AC电源(电源)连接，作为输出侧的绝缘DC-DC转换器侧与电力负载(负载)侧连接。并且，在AC100V电源与滤波器之间配置有噪声测量装置(测量装置)，噪声测量装置构成为对从滤波器侧漏出的噪声进行测量。另外，从AC100V电源到绝缘DC-DC转换器的各电路以及装置串联地配置在分别与火线(L)、零线(N)以及接地(FG)连接的线路上。另外，作为电力转换装置，使用了用于比较的以往类型的电力转换装置和本发明的电力转换装置。
图8A和图8B是示意性地示出在实验中使用的电力转换装置的一部分的说明图。图8A是用于比较的以往类型的电力转换装置，图8B是本发明的电力转换装置。在图8A所示的用于比较的以往类型的电力转换装置中，在使用了MOSFET的半导体开关SW与散热部件HS之间安装有绝缘体I。绝缘体I是厚度为0.85mm的形成为薄膜状的导热性树脂。在图8B所示的电力转换装置中，在使用了MOSFET的半导体开关SW与散热部件HS之间夹装有噪声消除器11。在噪声消除器11中，将厚度为18um的形成为薄膜状的铜箔作为导电体11a进行使用，在半导体开关SW侧配置厚度为0.1mm的绝缘片作为绝缘体11b，在散热部件HS侧配置厚度为0.3mm的导热性树脂作为绝缘体11b。另外，被用作导电体11a的铜箔与半导体开关SW的源极端子连接。
图9A和图9B是示出实验结果的曲线图。图9A示出了使用用于比较的以往类型的电力转换装置进行实验后的结果，图9B示出了使用本发明的电力转换装置进行实验后的结果。在图9A和图9B中，以横轴为频率[Hz]，以噪声的电平[dBuV]，示出了频率[Hz]与噪声的电平[dBuV]之间的关系。另外，在图9A和图9B中，L1表示作为噪声测量的标准由CISPRPub.11(国际无线故障特别委员会：信息技术装置)规定的级别B的平均值，L2表示由CISPRPub.11规定的级别B的QP(准峰值检波)。另外，在图9A和图9B中，VA表示L-FG间的噪声测量结果，VB表示N-FG间的噪声测量结果。
通过比较图9A和图9B可知，通过使用本发明的电力转换装置，减少了噪声，尤其是在200k～1M[Hz]的频域内其效果显著，在300k[Hz]处可以确认到-10[dB]的减少效果。
本发明不限于以上说明的实施方式，也可以通过其他各种方式进行实施。因此，上述的实施方式中的所有内容只是单纯的例示，不能限定性地解释。本发明的范围是通过权利要求示出的，并不被说明书正文限制。并且，属于与权利要求同等范围内的变形和变更都包括在本发明的范围内。
例如，只要在半导体开关SW与散热部件HS之间配置导电体11a，在导电体11a与半导体开关SW之间、以及导电体11a与散热部件HS之间配置绝缘体11b作为绝缘膜，则可以对导电体11a和绝缘体11b适当地进行设计。例如，形状不限于薄膜状，也可以是具有厚度的块状，也可以是硬质的平板状，为了提高导热率，也可以形成为曲面、凹凸等的与平面不同的表面形状。另外，也可以是，不是绝缘体11b覆盖导电体11a，而是在导电体11a的两个表面上粘贴绝缘体11b作为绝缘膜。另外，只要具有充分的散热效果，半导体开关SW、绝缘体11b、导电体11a、绝缘体11b以及散热部件HS之间也可以彼此不相接。并且，也可以适当地选择导电体11a和绝缘体11b的材料。但是，优选是导热率高的材料。
另外，在上述实施方式中，针对将散热部件HS与FG连接的方式进行了说明，但也可以设计成与FG以外的SG(信号接地)、“地”等接地电位、或者实现相同的效果的其他电位连接。并且，对于噪声消除器11的导电体11a而言，也可以将其适当地设计成不与源极端子侧的第2线路12b连接，而与漏极端子侧的第1线路12a连接等。但是，从抑制对第1寄生电容Chp1施加的电压的变动的观点来看，优选与作为稳定电位的第2线路12b连接。
并且，本发明的电力转换装置10不限于上述的实施方式，在电力电子等的技术领域内，也可以作为使用了半导体开关的DC-AC逆变器、DC斩波器等各种装置进行应用。
标号说明
10：电力转换装置；11：噪声消除器；11a：导电体；11b：绝缘体(绝缘膜)；11c：连接线；12a：第1线路；12b：第2线路；Chp1：第1寄生电容；Chp2：第2寄生电容；HS：散热部件(散热器)；SW：半导体开关。

Claims (5)

1.一种电力转换装置，其具有开关元件和散热器，该开关元件被配设成将连结输入侧和输出侧的一对线路短接，该散热器与规定的电位连接，其特征在于，该电力转换装置具有：
导电体，其配置在所述开关元件和所述散热器之间；以及
绝缘体，其配置在所述导电体和所述开关元件之间、以及所述导电体和所述散热器之间，
所述导电体与所述一对线路中的一个线路电连接。
2.一种电力转换装置，其具有开关元件和散热器，该开关元件被配设成将连结输入侧和输出侧的一对线路短接，该散热器与规定的电位连接，其特征在于，该电力转换装置具有：
导电体，其配置在所述开关元件和所述散热器之间；以及
绝缘体，其覆盖所述导电体，
所述导电体与所述一对线路中的一个线路电连接。
3.根据权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，
所述导电体和所述绝缘体呈薄膜状，
所述绝缘体的与所述开关元件相对的表面粘贴于所述开关元件，
所述绝缘体的与所述散热器相对的表面粘贴于所述散热器。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的电力转换装置，其特征在于，
连接着所述导电体的一个线路与稳定电位连接。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的电力转换装置，其特征在于，
所述散热器连接的规定的电位是接地电位。
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