CN108573941A - 电力转换装置以及电源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够降低噪声，并且能够实现小型化的电力转换装置以及电源装置。本发明的电力转换装置(10)具备金属基板(11)、半导体元件(SW)、绝缘体(12)及散热器(HS)。金属基板(11)的其中一面为外部电路(11a)而另一面为基底金属(11c)。半导体元件(SW)被安装于金属基板(11)的外部电路(11a)。绝缘体(12)被配置于金属基板(11)的基底金属(11c)。散热器(HS)是夹着绝缘体(12)而配置于金属基板(11)的基底金属(11c)侧。进而，金属基板(11)的基底金属(11c)连接于半导体元件(SW)的稳定电位。
Description
技术领域
本发明涉及一种具备散热器的电力转换装置以及电源装置，所述散热器对从半导体元件产生的热进行散热。
背景技术
通过对作为开关(switching)元件的半导体元件进行开关来控制输出电压等的电力转换装置被用于各种用途。电力转换装置为了放出由半导体元件所产生的热，而安装有散热器(heat sink)。例如，专利文献1所揭示的电力转换装置中，具备：半导体元件；印刷(print)基板，安装有半导体元件；以及散热器，对从半导体元件产生的热进行散热。并且，印刷基板具有：第1印刷图案(pattern)，连接于在半导体元件的开关动作中电位不发生变动的端子；以及第2印刷图案，在印刷基板的背面侧连接于在半导体元件的开关动作中电位发生变动的端子。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1：日本专利特开2012-110231号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
然而，电力转换装置中，在对从半导体元件产生的热进行散热的散热器与半导体元件之间产生的寄生电容大，因所述寄生电容而产生向电力转换装置的输入侧输出的噪声(noise)。即，在电力转换装置中，存在会产生因半导体元件的漏极(drain)端子与散热器的结合造成的噪声的问题。
而且，专利文献1所揭示的电力转换装置中，在印刷基板上设置第1印刷图案与第2印刷图案，并且设置用作散热器的导电体。因此，在专利文献1所揭示的电力转换装置中，存在小型化困难的问题。
本发明的目的在于提供一种能够降低噪声，并且能够实现小型化的电力转换装置以及电源装置。
[解决问题的技术手段]
根据本发明的一方面，包括：金属基板，其中一面为电路部而另一面为金属部；半导体元件，安装于金属基板的电路部；绝缘体，配置于金属基板的金属部；以及散热器，夹着绝缘体而配置于金属基板的金属部侧，金属基板的金属部连接于半导体元件的稳定电位。
优选的是，金属基板在电路部与金属部之间具有绝缘部，且半导体元件的稳定电位与金属部经由形成于电路部的配线图案而连接。
优选的是，半导体元件通过螺固而固定于金属基板。
优选的是，还包括：电路基板，与金属基板连接。
优选的是，电路基板是与金属基板的侧面相接，且利用固定构件而与金属部固定。
根据本发明的又一方面，一种电源装置，其包括所述任一项所述的电力转换装置。
[发明的效果]
根据本技术的电力转换装置，在金属基板的电路部安装半导体元件，且夹着绝缘体而在金属基板的金属部侧配置散热器，金属基板的金属部连接于半导体元件的稳定电位，因此能够降低噪声，并且能够实现小型化。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的实施方式的电力转换装置的外观的一例的侧面图。
图2是示意性地表示本发明的实施方式的电力转换装置的外观的一例的立体图。
图3是用于对具备本发明的实施方式的电力转换装置的电源装置进行说明的框图。
图4是与本发明的实施方式的电力转换装置相关的电路图。
符号的说明
10：电力转换装置
11：金属基板
11a：外部电路(电路部)
11b：绝缘层(绝缘部)
11c：基底金属(金属部)
11d：螺丝(固定构件)
11e：连接线
12：绝缘体
12a：第1线路
12b：第2线路
13：螺丝
20：滤波器
30：AC-DC转换器
40：绝缘DC-DC转换器
100：电源装置
200：商用电源
300：电力负载
B：基板(电路基板)
C1：第1电容器
C2：第2电容器
Chp1：第1寄生电容
Chp2：第2寄生电容
D：整流元件
FG：地线(框架地线)
HS：散热器
Icm：共模电流
Ins：噪声电流
L：火线
L1：电抗器
N：中性线
P1：第1点
P2：第2点
SW：半导体元件
具体实施方式
以下，参照附图来详细说明本实施方式。另外，图中，相同符号表示相同或相当的部分。
(A.电力转换装置的外观)
使用附图来说明本发明的实施方式的电力转换装置的外观。图1是示意性地表示本发明的实施方式的电力转换装置的外观的一例的侧面图。图2是示意性地表示本发明的实施方式的电力转换装置的外观的一例的立体图。另外，图1所示的电力转换装置中，为了说明结构，对于金属基板11的厚度方向，以与实际不同的比例(scale)来记载。
本发明的实施方式的电力转换装置10是使用作为开关元件的半导体元件SW来进行与输出电压和/或输出电流的转换相关的控制的逆变器(inverter)、直流-直流(DirectCurrent-Direct Current，DC-DC)转换装置等装置。
半导体元件SW包含金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)等开关元件。半导体元件SW具有源极(source)端子Ssw、栅极端子Gsw及漏极端子Dsw，且安装于金属基板11的外部电路。金属基板11的其中一面为外部电路11a(电路部)而另一面为基底金属11c(金属部)。金属基板11在外部电路11a与基底金属11c之间具有绝缘层11b(绝缘部)。外部电路11a形成用于安装半导体元件SW的配线图案，且具有18μm～300μm左右的厚度。
基底金属11c是由铝或铜所形成的金属板，且具有0.5mm～3.0mm的厚度。而且，虽未图示，但基底金属11c经由形成于外部电路11a的配线图案而与半导体元件SW的源极端子Ssw电连接。即，基底金属11c的电位为稳定电位(源极电位)。在基底金属11c上，形成有内螺纹(screw tap)，可将安装于外部电路11a的半导体元件SW通过螺丝13来螺固而固定。
而且，金属基板11被固定于基板B(电路基板)上。基板B是与金属基板11的侧面相接，且利用螺丝11d(固定构件)而与基底金属11c固定。另外，在基底金属11c上，形成有与螺丝11d吻合的内螺纹。进而，在基板B上，以相对于基板B的上表面呈大致直角的方式而竖立设置有散热器(heat sink)HS，所述散热器HS具有通过将由半导体元件SW所产生的热放出至外部来进行冷却的功能。散热器HS为电力转换装置10的框体，电连接于后述的FG(框架地线(frame ground))。
散热器HS夹着绝缘体12而配置于金属基板11的基底金属11c侧。因此，半导体元件SW对金属基板11中产生的热进行散热，进而，金属基板11经由绝缘体12而散热至散热器HS。为了降低从半导体元件SW与散热器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，金属基板11的基底金属11c连接于半导体元件SW的稳定电位。
另外，为了提高将由半导体元件SW所产生的热经由金属基板11而传导至散热器HS的导热的效率，半导体元件SW具有贴附于金属基板11的其中一面的散热面，散热器HS具有贴附于金属基板11的另一面的吸热面。
(B.电力转换装置的电路结构)
接下来，对本发明的实施方式的电力转换装置10的电路结构进行说明。电力转换装置10例如被用于电源装置。图3是用于对具备本发明的实施方式的电力转换装置10的电源装置100进行说明的框图。具备电力转换装置10的电源装置100包含滤波器(filter)20、AC-DC转换器(converter)30(AC/DC)、电力转换装置10(DC/DC)及绝缘DC-DC转换器40(绝缘DC/DC)。并且，电源装置100将商用电源200即AC电源连接于作为输入侧的滤波器侧，并将电力负载300(负载)连接于作为输出侧的绝缘DC-DC转换器侧。并且，从商用电源200的AC电源直至绝缘DC-DC转换器40为止的各电路，是串联地配置在与火线(Live)L、中性线(Neutral)N及地线FG分别连接的配线上。
进而，详细说明电力转换装置10的电路结构。图4是与本发明的实施方式的电力转换装置相关的电路图。图4所例示的控制系统中，使用：滤波器20，连接于AC电源(未图示)；二极管电桥(diode bridge)等AC-DC转换器30，将从AC电源供给的交流转换为直流；电力转换装置10，进行电压的平滑化、升压等电力转换；以及变压器等绝缘DC-DC转换器40，进行与电力负载300(未图示)相应的规格的向电压及电流的转换。由AC-DC转换器30从交流转换的直流，是指相对于从滤波器20侧输出的交流而使负(minus)侧电压的方向反转的脉动电流，方向为固定，但大小发生变化。并且，通过电力转换装置10，对作为脉动电流而供给的直流电压进行平滑化。
在电力转换装置10中，设有第1线路12a及第2线路12b，所述第1线路12a及第2线路12b将连接于AC-DC转换器30的输入侧、与连接于绝缘DC-DC转换器40的输出侧予以连结。第1线路12a及第2线路12b连接于输入侧的第1电位及第2电位。第1线路12a作为第1电位而连接于例如正(plus)侧。第2线路12b作为第2电位而连接于例如负侧，被用作连接于比第1电位低的稳定电位的配线。
在电力转换装置10内，在从AC-DC转换器30接受输入的输入侧，配设有第1电容器(condenser)C1，所述第1电容器C1连接第1线路12a及第2线路12b之间，并进行平滑化。而且，在向绝缘DC-DC转换器40输出的输出侧，配设有升压电路(升压斩波器(chopper))，所述升压电路使用电抗器(reactor)L1、半导体元件SW、整流元件D及第2电容器C2。
作为升压电路而配设的电抗器L1及整流元件D串联连接于第1线路12a上。整流元件D是以阳极(anode)端子成为输入侧、阴极(cathode)端子成为输出侧的方向而配设，在阳极侧，串联地连接有电抗器L1。而且，第2电容器C2是以连接第1线路12a及第2线路12b之间的方式而配设于整流元件D的阴极侧。
进而，升压电路的半导体元件SW以将第1线路12a及第2线路12b之间短路的方式而配设。在图4所例示的电路中，作为半导体元件SW，使用内置反并联二极管的MOSFET。半导体元件SW的漏极端子连接于成为电抗器L1及整流元件D之间的、第1线路12a的第1点(point)P1，源极端子连接于第2线路12b的第2点P2。另外，第2点P2是位于第1电容器C1连接于第2线路12b的连接点、与第2电容器C2连接于第2线路12b的连接点之间。
图4中，表示了配设在半导体元件SW的右侧附近的散热器HS，在半导体元件SW及散热器HS之间，配设有金属基板11。散热器HS连接于成为地线电位的FG(框架地线)。金属基板11的基底金属11c经由连接线11e而连接于第2线路12b。
在散热器HS连接于FG的情况下，在半导体元件SW与散热器HS之间产生第1寄生电容Chp1。而且，在金属基板11的基底金属11c与散热器HS之间产生第2寄生电容Chp2。
通过金属基板11的基底金属11c与半导体元件SW之间所产生的第1寄生电容Chp1，第1点P1的电压变动从基底金属11c经由第2点P2而传向第2线路12b，从而有噪声电流Ins流动。但是，传向第2线路12b的噪声电流Ins沿第2点P2、第1电容器C1、电抗器L1及第1点P1流动而循环，并被封闭在包含这些元件的电路内，因此不会作为噪声而输出至电力转换装置10的输入侧。
而且，通过金属基板11的基底金属11c与散热器HS之间所产生的第2寄生电容Chp2，第2点P2的电压变动从散热器HS传向FG，作为噪声，有共模(common mode)电流Icm流动。共模电流Icm能以将第2寄生电容Chp2乘以第2点P2的电压V2的经时变化所得的值来表示。并且，第2点P2的电压V2为半导体元件SW的源极端子Ssw的电位且为稳定电位，因此小于第1点P1的电压V1的经时变化。因此，与因第1点P1的经时变化引起的共模电流Icm的噪声相比，因第2点P2的经时变化引起的共模电流Icm的噪声变小，因此即使在作为噪声而输出至电力转换装置10的输入侧的情况下，也是小到能够忽略的程度。
如上所述，本发明的实施方式的电力转换装置10具备：金属基板11，其中一面为外部电路11a而另一面为基底金属11c；半导体元件SW，被安装于金属基板11的外部电路11a；绝缘体12，配置于金属基板11的基底金属11c；以及散热器HS，夹着绝缘体12而配置于金属基板11的基底金属11c侧。进而，金属基板11的基底金属11c连接于半导体元件SW的稳定电位。由此，能够将金属基板11的基底金属11c与半导体元件SW之间产生的第1寄生电容Chp1所引起的噪声电流Ins封闭在电力转换装置10内。而且，通过将基底金属11c连接于作为稳定电位的第2线路12b，能够抑制金属基板11的基底金属11c与散热器HS之间产生的第2寄生电容Chp2所引起的共模电流Icm。进而，电力转换装置10可设为将半导体元件SW、金属基板11、绝缘体12及散热器HS重叠而成的结构，因此能够实现小型化。
进而，对于半导体元件SW的固定，是在基底金属11c上形成内螺纹而通过螺固来进行，由此，能够削减多余的构成零件。
而且，通过连接金属基板11与基板B，能够将以往的电路基板的结构直接利用于基板B，因此能够降低基板的设计或制造成本。
进而，金属基板11在外部电路11a与基底金属11c之间具有绝缘层11b，半导体元件SW的稳定电位与基底金属11c经由形成于外部电路11a的配线图案而连接。既能确保外部电路11a与基底金属11c的绝缘，又能使基底金属11c的电位成为半导体元件SW的稳定电位。
而且，基板B与金属基板11的侧面相接，且利用螺丝11d(固定构件)而与基底金属11c固定。因此，能够将安装有半导体元件SW的金属基板11稳定地固定至基板B。
进而，包含本发明的实施方式的电力转换装置10的电源装置100能够降低噪声，并且能够实现小型化。
而且，本发明的实施方式的电力转换装置10并不限定于所述实施方式，在电力电子学(power electronics)等技术领域中，能够作为使用半导体开关的DC-AC逆变器、DC斩波器等各种装置而适用。
应认为，此次揭示的实施方式在所有方面仅为例示，并非限制者。本发明的范围是由权利要求而非所述说明所示，且意图包含与权利要求均等的含义及范围内的所有变更。
Claims (6)
1.一种电力转换装置，其特征在于包括：
金属基板，其中一面为电路部而另一面为金属部；
半导体元件，安装于所述金属基板的所述电路部；
绝缘体，配置于所述金属基板的所述金属部；以及
散热器，夹着所述绝缘体而配置于所述金属基板的所述金属部侧，
所述金属基板的所述金属部连接于所述半导体元件的稳定电位。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述金属基板在所述电路部与所述金属部之间具有绝缘部，且所述半导体元件的稳定电位与所述金属部经由形成于所述电路部的配线图案而连接。
3.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于，
所述半导体元件通过螺固而固定于所述金属基板。
4.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于还包括：
电路基板，与所述金属基板连接。
5.根据权利要求4所述的电力转换装置，其特征在于，
所述电路基板是与所述金属基板的侧面相接，且利用固定构件而与所述金属部固定。
6.一种电源装置，其特征在于包括权利要求1至5中任一项所述的所述电力转换装置。
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